[論文レビュー] Roton-like mode in solid He-4

E. Blackburn, S. K. Sinha+4 more|ArXiv.org|Feb 25, 2008

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて固体ヘリウム-4にロトンに類似したモードを同定した。このモードは、超流動ヘリウム-4のロトンと15%以内の縦効果的質量を示す、非局在化した空孔励起を示しており、分散的挙動を示し、音響フォノンと交差する。固体における秩序な格子状態にもかかわらず、このモードは、直接的かつ明確な非フォノン励起の共鳴的特徴を示しており、依然としてロトンに類似した性質を有することを示唆している。

ABSTRACT

Recent theoretical and experimental work on solid He-4 has focused on vacancies, or other lattice defects and whether these can form a Bose-Einstein condensate within the solid. The earliest suggestion that this could happen was based on the conjecture that the ground state of the solid at T = 0 K would include vacancies. Although no direct evidence for zero point vacancies has been presented, a variety of experimental observations have been interpreted as being due to thermally activated vacancies. Here we directly probe the excitation spectrum of hcp solid He-4 using inelastic neutron scattering. We identify a branch of delocalized excitations, with both longitudinal and transverse dispersion that coexist with acoustic phonons. While the energy gap is larger and the characteristic wavevector is shifted to coincide with the position of the (100) Bragg peak, the longitudinal effective mass of this mode is within 15% of that for rotons in superfluid He-4. The dispersion relation intersects the longitudinal acoustic phonon half way to the zone boundary, and this distinguishes the mode from a conventional optic phonon. Our results provide direct evidence for coherent delocalized non-phonon excitations in solid helium, which we identify as delocalized vacancy modes.

研究の動機と目的

• 高分解能非弾性中性子散乱を用いて、hcp相固体ヘリウム-4の励起スペクトルを直接調べること。
• 従来の間接的測定で観測された非フォノン励起の性質を調査すること。
• 非局在化空孔またはその他の欠陥が、固体ヘリウム-4において共鳴的かつ分散的モードを形成するかどうかを特定すること。
• これらのモードが比熱に与える寄与と、それらが超固体行動と関連している可能性を評価すること。
• これらのモードの分散関係および効果的質量を、超流動ヘリウム-4のロトンと比較すること。

提案手法

• 非弾性中性子散乱は、NIST中性子研究センターに設置されたNG4ディスクチョッパー時間飛行型分光計を用いて実施された。
• 55 mKにまで冷却された低密度の単結晶ヘリウム-4試料を用い、入射中性子波長として3.7 Åおよび5.2 Åを用いて測定を行った。
• エネルギー移動は中性子の時間飛行から決定され、分解能は約0.2 meV FWHMであった。
• 水晶トランスデューサーを用いて音響速度および減衰をモニタリングし、結晶の品質と成長状態を評価した。
• データはガウス関数フィッティングと、データリダクションおよび解析に用いられるDAVEソフトウェアパッケージを用いて分析した。
• 新たな励起モードの分散関係を抽出し、二次関数形にフィッティングすることで、効果的質量およびエネルギーギャップを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局在化空孔モードは、固体ヘリウム-4において共鳴的かつ分散的励起として存在するか？
• RQ2 これらのモードの分散関係および効果的質量は、超流動ヘリウム-4のロトンとどのように比較できるか？
• RQ3 対称性および分散関係に基づいて、これらのモードを従来の光学フォノンから区別できるか？
• RQ4 これらのモードが固体ヘリウム-4の比熱に与える寄与は何か？
• RQ5 これらのモードは、仮の超固体転移を越えて持続するのか？その存在は超固体相に何を示唆するか？

主な発見

• エネルギーギャップを有する分散的励起が観測された。結晶1では縦効果的質量が0.107 ± 0.003 mHe、結晶2では0.114 ± 0.005 mHeであり、超流動ヘリウム-4のロトン効果的質量と15%以内であった。
• 空孔モードのエネルギーギャップは、結晶1で0.951 ± 0.004 meV、結晶2で1.002 ± 0.003 meVであり、波数1.964 ± 0.006 Å⁻¹で最小値を示した。
• 分散関係は、ゾーン境界の半ばで縦音響フォノンモードと交差しており、従来の光学フォノンとは明確に異なる。
• モードの線幅は21 μeV未満に制限されており、寿命の下限が0.2 ns以上であることを示唆している。
• 従来の実験では解像されていなかった、横光学フォノン分岐に一致する広帯域の特徴が観測された。
• 仮の超固体転移を冷却過程で通過しても、0.15 meVから5.5 meVのエネルギー領域における状態密度に顕著な変化は観測されなかったが、新たな集団励起モードは固体相の主要な特徴のままであった。