[論文レビュー] New Phases of Superfluid $^3$He Confined in Aerogels

W. P. Halperin, J. M. Parpia+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2018

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高孔隙率のアエロゲルに閉じ込められた$^3$Heの新しい超流動相を調査し、不純物と閉じ込められることで、極性相や等スピンペアリング（ESP）相のような特異な量子相が安定化されることを示している。ねじり振動子とNMRの手法を用いて、ネマチックアエロゲルではひずみ誘発の三臨界点と半量子ホール渦の証拠を明らかにした。本研究は、不純物を含む量子系におけるトポロジカル超流動性の研究を前進させた。

ABSTRACT

Liquid $^3$He confined in low-density, highly porous random solids such as silica aerogel provides tuneable systems to study the effects of disorder and confinement on the properties of a quantum liquid. New superfluid phases result from the interplay between disorder, confinement and complex symmetry-breaking. An extended bibliography is appended. An edited and abbreviated version of this article appeared in Physics Today 71, 11, 30 (2018).

研究の動機と目的

• アエロゲル内の不純物と閉じ込められ方が、$^3$Heの超流動相、特にp波、スピン三重項のコープペアの安定性にどのように影響するかを調査すること。
• 不純物環境において、極性相や等スピンペアリング（ESP）相のような新しい量子相がどのように出現するかを調査すること。
• 圧縮やネマチック構造によって誘発されるアエロゲルの異方性が、相転移およびトポロジカル励起子に与える役割を調査すること。
• NMRおよび機械的共振法を用いて、閉じ込められた$^3$He超流動体におけるトポロジカル欠陥、たとえば半量子ホール渦の検出と特徴づけを行うこと。
• アエロゲルによる閉じ込めを用いて、ナノ構造的量子流体におけるトポロジカル量子相を設計するための枠組みを確立すること。

提案手法

• 98%の孔隙率を持つシリカアエロゲルに閉じ込められた$^3$Heにおける超流動分率を直接検出するために、ねじり振動子測定を用いた。
• 核磁気共鳴（NMR）を用いて周波数シフトを測定し、超流動状態の対称性とコhereneyを調べた。
• 比熱測定を用いて相転移を特定し、BCS型とギャップなし励起状態を区別した。
• 等方的シリカアエロゲルの制御された圧縮により異方性アエロゲルを設計し、ひずみと二色性を誘発した。光学的測定で定量した。
• Al2O3繊維が整列したネマチックアルミナアエロゲル（ナフェン）を用い、強い異方性を実現し、コープペア軌道の整列を可能にした。
• 理論的モデリングと実験データ（Aliら（2011）のアエロゲル内でのペア破壊理論を含む）を統合し、相図および臨界磁場の解釈を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高孔隙率のシリカアエロゲル内の不純物が、$^3$Heのp波、スピン三重項超流動相の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ひずみまたは異方性を持つアエロゲルに閉じ込められた$^3$Heにおいて、どのような新しい超流動相が出現し、それらがバルク$^3$Heの相とはどのように異なるか？
• RQ3 アエロゲル中で$^3$Heの極性相を安定化させることは可能か？その存在を裏付ける証拠は何か？
• RQ4 ひずみが、圧縮されたアエロゲル中の$^3$Heの相図における新しい臨界磁場$H_c$と三臨界点を誘発する役割は何か？
• RQ5 ネマチックアエロゲルに閉じ込められた$^3$Heにおいて、半量子ホール渦のようなトポロジカル励起子を検出できるか？NMRおよび機械的応答におけるその特徴は何か？

主な発見

• 98%の孔隙率を持つシリカアエロゲルに閉じ込められた$^3$Heでは、29 barでバルク$^3$Heに比べて超流動分率が抑制された新しい超流動相が出現し、強い不純物効果が示された。
• 超流動が完全に抑制される臨界圧力$p_c \approx 5$ barが特定され、不純物誘発の量子相転移を示唆した。
• 低圧領域において、等スピンペアリング（ESP）相が$T_c$で観測され、不純物環境下での従来のBCSペアリング対称性の破壊を示した。
• 圧縮されたアエロゲルでは、20%のひずみと26 barの条件下で、新しい臨界磁場$H_c = 0.1$ Tが観測され、通常状態、A相、B相の三重に分岐する臨界点を示した。
• ネマチックアルミナアエロゲル（ナフェン）では、最初の超流動転移が、コープペアがネマチック軸に整列した極性相に起こり、NMRおよびねじり振動子の両データで確認された。
• ヘルシンキ・マオスコ協働研究は、$T = 300\,\mu\text{K}$でナフェンアエロゲル中の$^3$Heの極性相において、NMR分光法を用いて半量子ホール渦を検出。トポロジカル超流動性の直接的証明となった。