スーパークリーン物質

福山 寛(物理学専攻 教授)

「最近,物性物理のほうで『スーパークリーン物質』って言葉を耳にするけど,それって何?」「たぶん不純物が極端に少ない超純粋物質のことじゃない?」おおよそ正解である。例として液体ヘリウムをみてみよう。極低温では大きな量子効果のためにヘリウムだけが液体状態にとどまり,うまい具合に自動精製する。これをスペースシャトルで無重力環境に打ち上げると,超流動転移温度(約2 K)に何と9桁もの精度で(温度差2 nK以内に)肉薄して比熱のラムダ発散が測定できる。相転移の理論をこんな桁外れの精度で検証できる物質は他にない。レーザー冷却された希薄原子気体もその仲間だ。レーザー周波数を原子固有の状態遷移に同調させるので,狙った原子種以外は冷却・捕獲されない。そしてやはり超低温で超流動状態になる。超流体を回転させると,流れの循環が量子化された「量子渦」が発生する。量子渦の生成・消滅・もつれなどのダイナミクスは,不純物ピニングのないスーパークリーン超流体でしか調べようがない。これらはビッグバン以後の真空の相転移や流体力学の乱流などのモデル系として盛んに研究されている。ビッグバンを何度も起こして実験できるようなものである。

ただし,この用語のきちんとした定義は「空間次元,幾何学構造,粒子相関を制御して低温極限で新奇な量子相や量子相転移が発現する系」と小難しい(発案した私もそう思う)。たとえば,パラメータをうまく制御して絶対零度付近で原子集団や物質中の電子が局在しかかっているとする。そこは相互作用の競合やフラストレーションが生む新奇な量子相の宝庫なのだが,系にわずかな乱れがあると見慣れた状態へ簡単に移ってしまう。しかし,系が十分にクリーンなとき,一見何の関係もなさそうな有機化合物と2次元ヘリウムで「ギャップレス量子スピン液体」という共通のエキゾチック磁性が姿を現す。

物質の多様性を超えてそれらの背後に共通する物理の新概念を探る「スーパークリーン物質」研究は,新世代の物性物理学の重要なキーワードである。本研究科では筆者の他に,物理学専攻の岡本徹准教授のグループが実験的に,小形正男准教授や宮下精二教授のグループが理論的に研究しており,また物性研究所の久保田実准教授(協力講座教員として本研究科物理学専攻を担当)も実験的な研究を行なっている。