[논문 리뷰] New Phases of Superfluid $^3$He Confined in Aerogels

W. P. Halperin, J. M. Parpia외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 12.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고다공도 거품세라믹에 갇힌 $^3$He의 새로운 초유체 상을 조사하며, 불규칙성과 갇힘이 편극 상과 동일 스핀 쌍성립(ESP) 상과 같은 고유한 양자 상을 안정화시킴을 보여준다. 토크 진동계와 NMR 기법을 사용하여, 이방성 거품세라믹에서 기계적 변형에 의해 유도된 삼중 임계점과 반양자 환원의 증거를 밝혀내어, 불규칙한 양자 시스템에서의 위상적 초유체성 연구를 진전시켰다.

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).

연구 동기 및 목표

• 고다공도 실리카 거품세라믹에서의 불규칙성과 갇힘 효과가 $^3$He의 초유체 상, 특히 p-파장, 스핀 삼중성 쿠퍼 쌍의 안정성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 불규칙한 환경에서 새로운 양자 상인 편극 상과 동일 스핀 쌍성립(ESP) 상의 발생을 탐색하기 위해.
• 압축 또는 이방성 배열에 의해 유도된 거품세라믹의 이방성의 역할이 상전이 및 위상적 비편재에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• NMR 및 기계적 공진 기법을 사용하여 갇힌 $^3$He 초유체에서 위상적 결함인 반양자 환원을 탐지하고 특성화하기 위해.
• 거품세라믹 갇힘을 활용하여 나노정렬된 양자 유체에서 위상적 양자 상을 설계하는 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 98% 다공도의 실리카 거품세라믹에 갇힌 $^3$He의 초유체 분율을 직접 측정하기 위해 토크 진동계 측정을 수행하였다.
• 초유체 상태의 대칭성과 위상 일관성을 조사하기 위해 핵자기공명(NMR)을 사용하였다.
• 상전이를 식별하고 BCS 유사 및 갭 없는 진동자기 상태를 구분하기 위해 열용량 측정을 수행하였다.
• 이방성 거품세라믹을 제작하기 위해 등방성 실리카 거품세라믹을 제어 압축하여 변형과 이방성(이중굴절)을 유도하였으며, 광학적으로 측정하였다.
• 알루미나 분말 기반의 이방성 알루미나 거품세라믹(nafen)을 사용하여 알루미나 섬유의 정렬을 통해 강한 이방성을 생성하였으며, 이는 쿠퍼 쌍 궤도의 정렬을 가능케 하였다.
• Ali 등(2011)의 거품세라믹에서 쌍파괴 이론을 포함한 이론 모델링과 실험 데이터를 융합하여 상도 및 임계 자기장의 해석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고다공도 실리카 거품세라믹에서의 불규칙성이 $^3$He의 p-파장, 스핀 삼중성 초유체 상의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 압축되거나 이방성이 있는 거품세라믹에 갇힌 $^3$He에서 새로운 초유체 상이 어떻게 나타나며, 이는 균질한 $^3$He 상과 어떻게 다를까?
• RQ3 실리카 거품세라믹에서 $^3$He의 편극 상이 안정화될 수 있으며, 그 존재에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ4 압축된 거품세라믹에서 신규 임계 자기장 $H_c$와 삼중 임계점이 기계적 변형에 의해 어떻게 유도되는가?
• RQ5 이방성 거품세라믹에 갇힌 $^3$He에서 반양자 환원과 같은 위상적 진동자기 상태를 NMR 및 기계적 반응에서 탐지할 수 있으며, 그 특징은 무엇인가?

주요 결과

• 98% 다공도의 실리카 거품세라믹에 갇힌 $^3$He에서는 새로운 초유체 상이 나타나며, 29 bar에서 균질한 $^3$He에 비해 초유체 분율이 감소하여 강한 불규칙성 효과를 나타낸다.
• 초유체성이 완전히 억제되는 임계 압력 $p_c \approx 5$ bar가 확인되었으며, 이는 불규칙성에 의해 유도된 양자 상전이의 신호이다.
• 저압 영역에서 초유체 전이 온도 $T_c$에서 동일 스핀 쌍성립(ESP) 상이 관측되었으며, 이는 불규칙한 환경에서 전통적인 BCS 쌍성립 대칭성이 붕괴됨을 시사한다.
• 압축된 거품세라믹에서 20% 변형 및 26 bar 조건에서 새로운 임계 자기장 $H_c = 0.1$ T가 관측되었으며, 이는 정상, A-, B상 사이의 삼중 임계점임을 나타낸다.
• 이방성 알루미나 거품세라믹(nafen)에서 첫 번째 초유체 전이가 쿠퍼 쌍이 이방성 축에 정렬된 편극 상으로 일어나며, NMR 및 토크 진동계 데이터로 모두 확인되었다.
• 헬싱키-모스크바 협동 연구진은 $T = 300\,\mu\text{K}$에서 nafen 거품세라믹 내 $^3$He의 편극 상에서 NMR 분광법을 통해 반양자 환원을 탐지하였으며, 위상적 초유체성에 대한 직접적 증거를 제공하였다.