面心立方格子上の超固体状態

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超固体とは粒子が周期的な配列を組んで固体を形成しているにもかかわらず超流動性を示す状態を指す。近年E. KimとM. H. W. Chanが行った固体ヘリウム4に対するねじれ振り子の実験で興味深い結果が報告された[1]。すなわち、回転慣性モーメントが約200mK以下で減少する。この回転慣性モーメントの減少は固体ヘリウム中に、その回転運動に追従しない成分-超流動成分が現れることを示唆している。超固体に対する理論的アプローチとして格子モデルを用いて解析する方法がある。極最近、三角格子上で現れる超固体相について、その秩序状態や臨界現象が数値計算によって詳しく調べられた[2]。その結果、粒子同士の相互作用間に働くフラストレーションが、超流動状態の安定化に重要であると指摘された。しかし同じ相互作用間にフラストレーションを持つカゴメ格子の場合には超固体状態が現れない[3]。この相互作用間に働くフラストレーションと超固体状態の関係は未だ不明な点が多い。

そこで我々は、フラストレーションの働く格子の一つ、面心立方格子について超固体相の探索を行った。その際、粒子間相互作用は最近接格子間のみに働くと仮定したハードコア(1サイトに2個以上粒子が同時に詰まらない)ボーズハバードモデルを扱った。その結果、面心立方格子の場合、1/2-fillingと3/4-fillingに現れる固体相の間に超固体相が現れることがわかった。図1に、あるパラメターにおける温度-化学ポテンシャル相図を示す。面心立方格子では、フラストレートした相互作用の為に固体秩序中に超流動パスが形成される(図2)為に超固体状態が安定化することを明らかにした[4]。

(by 鈴木隆史)

[参考文献]
[1] E. Kim and M. H. W. Chan, Nature (London) 427, 225 (2004); Science 305, 1941 (2004).
[2] S. Wessel and M. Troyer, Phys. Rev. Lett. 95, 127205 (2005). など
[3] S. V. Isakov, et. al, Phys. Rev. Lett. 97, 147202 (2006).
[4]T. Suzuki and N. Kawashima, Phys. Rev. B 75,180502(4) (2007).
図1; 相図
図2; 黒丸が粒子を表し、灰色の線が超流動パスを表す