平成１９年度工学部予算重点配分研究テ−マに係る研究報告書

研究課題「ボース凝縮体の研究」（Ｈ19年新規）プロジェクトグループ名称

超低温実験懇談会

研究代表者
菊池彦光・教授

・物理工学専攻

分担者（順不同）
熊倉光孝

・准教授・物理工学専攻

高木丈夫

・准教授・物理工学専攻

光藤

誠太郎・教授藤井裕

配分額・遠赤外領域開発研究センター

・准教授・遠赤外領域開発研究センター円

経費の支出額内訳
細目

品名

計

金額（円）

研究成果の概要
研究の背景と目的
物性物理学の研究では数 K 以下における低温測定とそれができる低温環境の整備が必須である。
低温にすることによって通常の環境では熱的効果に隠れて見えない相互作用による影響や量子効果を顕在化することで新しい状態や物理現象を発見することが可能となる。ある種の物質系では温度を下げるとボース・アインシュタイン凝縮（BEC）とよばれる量子的な相転移が生じる。
この現象はボソンとよばれる素励起が存在する場合には普遍的に存在するもので、現在最も活発に研究されている研究課題である。工業的にも重要な超伝導も BEC の一種であり BEC の基礎的研究は将来の応用的発展のためにも重要である。幸い福井大学においては低温研究に不可欠な液体ヘリウム液化装置が更新され本学における低温物理研究の基盤が形成されつつある。本研究プロジェクトの目的は、福井大学における低温物理学の研究体制を確立することである。具体的には、磁性、レーザー分光、量子液体（液体ヘリウム）といった低温物理学の多彩な分野において共通項のように現れる BEC 及び BEC が関連する現象について多角的な研究を行い、相互に議論を行いながら、究極的には新しい現象を見いだす事を目標としている。

研究成果
この一年は、磁性、レーザー分光、量子液体の各研究グループ内で研究活動を行いながら、低温物理学に関する有機的な研究体制確立を目指してグループ間で不断の連絡をとりあった。磁性グ
ループでは 2007 年 12 月に、量子効果が顕著に働く磁性体（量子スピン系）に関する研究会を行い国内の当該研究分野に関する有力な研究者が参加して活発な議論を行った。以下に各グループの研究成果についてまとめる。

磁性（菊池、光藤、藤井）
幾何学的にフラストレートした反強磁性的量子スピン系において、反強磁性的に結合した二つのスピンからなるスピンダイマーが規則的に配列することによって生成される新しい量子相である VBS(Valence Bond Solid)状態が存在することをかごめ格子反強磁性体 ZnxCu4-x(OD)6Cl2 に対する中性子実験によって実証した 1)。二次元三角格子反強磁性体 Cs2CuBr4 に対する 133Cs-NMR 実験により、磁化プラトー（規則配列したボソン（マグノン）に起因する現象）を横断する磁場域における磁場誘起相転移現象を明らかにした 2)。

レーザー分光（熊倉）Rb原子気体においてボース凝縮を行うため、今年度は２重磁気光学トラップ法及び偏向勾配冷却法によるRb原子のレーザー冷却実験を推進した。その結果、常温の金属蒸気から108〜109個のRb原子を100μK程度にまでレーザー冷却することができ、凝縮体の生成・保持を行う磁気トラップでこの原子集団が捕獲されることを確認した3-5)。

量子液体（高木）
ナノスケール球状ケ−ジに数個の4He粒子を閉じ込め、低温でボーズ統計性を示すかどうかの検証を経路積分法で行った。その結果、粒子4個の場合は 5Å程度が臨界半径で、それよりも大きなケージではボーズ統計性が発現した。それ以下の半径のケージでは幾何学的制限により粒子交換は発生せず、固体的な熱力学特性を示した。示した図は、粒子4個の場合のケ−ジ半径に対する運動エネルギーであり、半径が大きい場合には低温で運動エネルギーの低下が見られる。GSの線は理想1体粒子の運動エネルギーであり、粒子が基底状態に落ち込んでいることが理解される。このことは名大グループの実験結果と矛盾しない6)。

主要な研究論文
1) “Quantum-spin-liquid states in the two-dimensional kagome antiferromagnets ZnxCu4-x(OD)6Cl2”, S.-H. Lee, H.
Kikuchi, Y. Qiu, B. Lake, Q. Huang, K. Habicht and K. Kiefer, Nature Materials, 6, 853 – 857 (2007).
2) “Commensurate and incommensurate phases of the distorted triangular antiferromagnet Cs2CuBr4 studied using
133

Cs NMR”, Y. Fujii, H. Hashimoto, Y. Yasuda, H. Kikuchi, M. Chiba, S. Matsubara, M. Takigawa, J.

Phys.: Condens. Matter, 19, 145237 (5 pages) (2007).
3) "Spontaneous splitting of a quadruply charged vortex", T. Isoshima, M. Okano, H. Yasuda, K. Kasa,J. A. M. Huhtamäki, M. Kumakura, and Y. Takahashi, Phys. Rev. Lett., 99, 200403/1-4 (2007).
4) "Degenerate Fermi gases of ytterbium", T. Fukuhara,1 Y. Takasu, M. Kumakura and Y. Takahashi,Phys. Rev. Lett., 98, 030401/1-4 (2007).
5) "Spin noise measurement with diamagnetic atoms", M. Takeuchi, S. Ichihara, T. Takano, M. Kumakura and Y.
Takahashi, Phys. Rev. A 75, 063827/1-4 (2007).
6) “Path Integral Calculation of 4He in Zero-Dimensional Nanocage Model”, Y. Nakamura, and T.Takagi
J. Phys. Soc. Jpn.,77, 03608-03614 (2008).

Program
研究会会場：福井大学 遠赤外領域開発研究センター5Fコロキウム室
日時：２００７年１２月１０日（月）午後−１１日（火）2007.12.10. (Mon) 福井大学 遠赤外領域開発研究センター5Fコロキウム室
座長:
大久保晋
13:25-13:30 はじめに 大久保晋
分子フォトサイエンス研究センター
上智大学理工学部物 偏極中性子非弾性散乱による擬一次元イジング型反強磁
13:30-14:00 大沢明
理学科
性体TlCoCl3の異方的磁気揺らぎの研究
上智大学理工学部物 NMR及びμSRによるスピンギャップ固溶系IPA-Cu(Cl,Br)3
14:00-14:30 後藤貴行
理学科の研究ダイヤモンド鎖化合物Cu3(MO4)(OH)2-(4,4'-bpy)の磁化過
14:30-15:00 菊池彦光 福井大学工学部
程
15:00-15:20 Break座長:
菊池彦光
神戸大学分子フォトS=1/2カゴメ格子反強磁性体ZnCu3(OH)6Cl2のSpin液体状
15:20-15:50 大久保晋 サイエンス研究セン態について（仮題）ター
15:50-16:20 奥西巧一 新潟大学理学部
擬1次元XXZ模型の磁場誘起非整合秩序について16:20-16:50 坂井徹
原子力機構/Spring-8 擬一次元量子スピン系のスピンフロップ転移
福井大学遠赤外セン 三角格子反強磁性体Cs2CuBr4の磁化プラトー領域におけ
16:50-17:20 藤井裕
ターるNMR
2007. 12. 11. (Tue) 福井大学 遠赤外領域開発研究センター5Fコロキウム室座長:光藤誠太郎
10:00-10:30 利根川孝 福井工業大学
異方的(s,S)=(1,2)スピン交代鎖の基底状態
東京工業大学大学院 1次元スピンギャップ系における有限磁場中の磁化の温度
10:30-11:00 岡本清美
理工学研究科
変化とランダムネス
神戸大学分子フォト
S=1/2ハニカム格子反強磁性体InCu2/3V1/3O3のスピンダイ
11:00-11:30 太田仁
サイエンス研究セン
ナミクス（仮題）
ター
11:30-12:00 細越裕子 大阪府立大学
BIP-TENOの格子歪みと圧力・不純物置換効果
12:00-13:00 Lunch
座長:藤井裕13:00-13:30 中村敏和 分子科学研究所
低次元スピン系としての有機導体
福井大学遠赤外セン
13:30-14:00 光藤誠太郎
未定
ター
symposium