Nago, Yusuke

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Affiliation

Faculty of Science and Technology, Department of Physics （Yagami）

Position

Research Associate/Assistant Professor/Instructor
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Other Affiliation 【 Display / hide 】

  • 東京大学 低温科学研究センター, 村川研究室, 客員共同研究員

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Career 【 Display / hide 】

  • 2011.10
    -
    2012.03

    大阪市立大学, 理学研究科, 特任助教

  • 2013.04
    -
    2016.03

    東京理科大学, 理学部応用物理学科, 嘱託助教

  • 2014.06
    -
    2018.03

    理化学研究所, 創発物性科学研究センター 量子情報エレクトロニクス部門　量子凝縮相研究チーム, 客員研究員

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Research Areas 【 Display / hide 】

  • Natural Science / Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems

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Research Keywords 【 Display / hide 】

  • Superfluidity、Superconductivity

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Papers 【 Display / hide 】

  • 4D-XY Superfluid Transition and Dissipation in <sup>4</sup>He Confined in Nanoporous Media

    Tani T., Nago Y., Murakawa S., Shirahama K.

    Journal of the Physical Society of Japan （Journal of the Physical Society of Japan)  91 （ 1 ）  2022.01

    ISSN  00319015

    　View Summary

    4He confined in nanoporous Gelsil glass is a unique, strongly correlated Bose system exhibiting quantum phase transition (QPT) by controlling pressure. Previous studies revealed that the QPT occurs with four-dimensional (4D) XY criticality, which appears in the zero-temperature limit of the superfluid density. However, the P-T phase diagram also suggested that the 4D XY nature appears at finite temperatures. Here, we have determined the critical exponent of the superfluid density ρsof 4He in two Gelsil samples that have pore diameter to be about 3 nm, using a newly developed mechanical resonator technique. The critical exponent ζ in the powerlaw fitting ρsα |1 - T=Tc|ζ, where Tcis the superfluid transition temperature, was found to be 1.0 ± 0.1 for all pressures realized in this experiment, 0.1 > P > 2.4 MPa. This value of ζ gives decisive evidence that the finite-temperature superfluid transition belongs to the 4D XY universality class. The emergence of the 4D XY criticality is explained by the existence of many nanoscale superfluid droplets, the so-called localized Bose-Einstein condensates (LBECs), above Tc. Due to the large energy cost for 4He atoms to move between the LBECs, the phase of the LBEC order parameters fluctuates not only in spatial (3D) but imaginary time (+1D) dimensions, resulting in the 4D XY criticality by a temperature near Tc. Since the finite size of the system in the imaginary time dimension Ltis larger than the pore size, the 4D XY critical phenomenon is observed. In the very vicinity of Tcat which the correlation length exceeds Lt, there may be a crossover from 4D to 3D XY criticality. Below Tc, macroscopic superfluidity grows in the nanopores of Gelsil by the alignment of the phases of the LBEC order parameters. An excess dissipation peak observed below Tc is well explained by this phase-matching process.

  • 4D-XY Superfluid Transition and Dissipation in 4He Confined in Nanoporous Media

    Tomoyuki Tani, Yusuke Nago, Satoshi Murakawa, and Keiya Shirahama

    arXiv:2107.07398v2    1 - 19 2021.07

    Research paper (other academic), Joint Work

  • Evidence for 4D XY Quantum Criticality in 4He Confined in Nanoporous Media at Finite Temperatures

    Tomoyuki Tani, Yusuke Nago, Satoshi Murakawa, and Keiya Shirahama

    Journal of the Physical Society of Japan （Physical Society of Japan)  90 （ 3 ） 033601-1 - 033601-5 2021.02

    Research paper (scientific journal), Joint Work, Accepted,  ISSN  00319015

    　View Summary

    4He confined in nanoporous media is a model Bose system that exhibits quantum phase transition (QPT) by varying pressure. We have precisely determined the critical exponent of the superfluid density of liquid 4He in porous Gelsil glasses with pore size of 3.0 nm using the Helmholtz resonator technique. The critical exponent ζ of the superfluid density was found to be 1.0 ± 0.1 for the pressure range 0.1 < P < 2.4 MPa. This value provides decisive evidence that the finite-temperature superfluid transition belongs to the four-dimensional (4D) XY universality class, in contrast to the classical 3D XY one in bulk liquid 4He, in which ζ = 0.67. The quantum critical behavior at a finite temperature is understood by strong phase fluctuations in local Bose-Einstein condensates above the superfluid transition temperature. 4He in nanoporous media is a unique example in which quantum criticality emerges not only at 0K but at finite temperatures.

  • Multiple Diffusion-Freezing Mechanisms in Molecular-Hydrogen Films

    Makiuchi T., Yamashita K., Tagai M., Nago Y., Shirahama K.

    Physical Review Letters （Physical Review Letters)  123 （ 24 ）  2019.12

    ISSN  00319007

    　View Summary

    © 2019 American Physical Society. Molecular hydrogen is a fascinating candidate for novel bosonic and fermionic superfluids. We have studied diffusion dynamics of thin films of H2, HD, and D2 adsorbed on a glass substrate by measurements of elasticity. The elasticity shows multiple anomalies well below the bulk triple point temperature. They are attributed to three different diffusion mechanisms of admolecules and their "freezing" into a localized state: Classical thermal diffusion of vacancies, quantum tunneling of vacancies, and diffusion of molecules in the uppermost surface. The surface diffusion is active down to 1 K, below which the molecules become localized. This suggests that the surface layer of hydrogen films is on the verge of quantum phase transition to a superfluid state.

  • Elastic Anomaly of Thin Neon Film

    Makiuchi Takahiko, Yamashita Katsuyuki, Tagai Michihiro, Nago Yusuke, Shirahama Keiya

    Journal of the Physical Society of Japan （Physical Society of Japan)  88 （ 3 ） 34601 - 34601 2019

    Joint Work,  ISSN  00319015

    　View Summary

    © 2019 The Physical Society of Japan. Adsorbed molecular films provide two-dimensional systems that show various emergent phenomena that are not observed in bulk counterparts. We have measured the elasticity of thin neon films adsorbed on porous glass down to 1 K by the torsional oscillator technique. The shear modulus of a neon film anomalously increases at low temperatures with excess dissipation. This behavior indicates a crossover from a soft (fluidlike) state at high temperatures to a stiff (solidlike) state at low temperatures. The temperature dependence of the anomaly is qualitatively similar to that of the elastic anomaly of helium films found in our recent study. The dissipation peak temperature, however, becomes constant at about 5 K, contrary to the case of helium, in which it decreases to 0 K at a critical coverage of a quantum phase transition between a gapped localized phase and a mobile (superfluid) phase. It is concluded that neon films behave as a classical system that does not show a quantum phase transition or superfluidity, although the films may be strongly supercooled to temperatures much lower than the bulk triple point, 24.6 K. Our results suggest that the elastic anomaly is a universal phenomenon of atomic or molecular films adsorbed on disordered substrates.

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Papers, etc., Registered in KOARA 【 Display / hide 】

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Presentations 【 Display / hide 】

  • 水素薄膜の低温における誘電率の異常挙動

    白濱圭也, 道川真丹, 伊藤愛菜, 谷智行, 永合祐輔

    日本物理学会第2021年秋季大会 (オンライン) , 

    2021.09
    , 

    Oral presentation (general)

  • 4D XY Quantum Criticality of Superfluid 4He confined in Gelsil Glass

    T. Tani, Y. Nago, S. Murakawa, and K. Shirahama

    2021 International Symposium on Quantum Fluids and Solids(QFS2021) (the Centre for Nano Science and Engineering (CeNSE) at the Indian Institute of Science (IISc), Bangalore, India) , 

    2021.08
    , 

    Poster presentation

  • 六方晶窒化ホウ素表面上ヘリウム4薄膜の超流動と弾性

    桑原啓佑, 鈴木貴博, 永合祐輔, 白濱圭也

    日本物理学会第2020年秋季大会 (オンライン) , 

    2020.09
    , 

    Oral presentation (general)

  • ナノ多孔体Gelsil中ヘリウム4の流れ特性と超流動臨界指数

    谷智行, 永合祐輔, 村川智, 白濱圭也

    日本物理学会第2020年秋季大会 (オンライン) , 

    2020.09
    , 

    Oral presentation (general)

  • 弾性異常で見たグラファイト上 4He 薄膜の量子相転移

    鈴木貴博, 巻内崇彦, 永合祐輔, 白濱圭也

    日本物理学会第2020年秋季大会 (オンライン) , 

    2020.09
    , 

    Oral presentation (general)

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Research Projects of Competitive Funds, etc. 【 Display / hide 】

  • Nonlinear wave phenomena excited on vortex lines in quantum turbulence

    2022.04
    -
    2026.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, 基盤研究(C), Principal investigator

  • Novel Quantum Phenomena in 2D Helium with Aspects of Quantum Phase Transition

    2020.04
    -
    2023.03

    Keio University, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), No Setting

    　View Summary

    ヘリウム薄膜は「2次元強相関量子多体系」として、トポロジカル超流動、量子液晶、非平衡などの新現象を示しうる。申請者は2次元ヘリウムの性質が「励起にエネルギーギャップをもつ局在固体」と「超流動」間の「量子相転移」という見方―量子相転移描像―で統一的に理解できることを提案している。
    本研究ではこの量子相転移描像に基づき、2次元ヘリウムに期待される新奇量子現象を開拓する。具体的には、(1)フォノン照射による非平衡超流動状態の実現、(2)純2次元トポロジカル超流動ヘリウム3の探索、(3)ヘリウム4薄膜における固体と超流動の共存の検証、という3つの新奇量子凝縮相・量子現象の解明に取り組む。

  • Realization of Superfluidity in Adsorbed Molecular Films by Phonon Irradiation

    2019.06
    -
    2021.03

    Keio University, Challenging Research (Exploratory), No Setting

    　View Summary

    本研究は多様な原子分子の薄膜を超流動化する新しい方法を確立し、物理学の発展に資する。固体基板に吸着した水素やネオン薄膜に超高周波フォノンを照射して流体的励起状態に遷移させ、非平衡下でボース凝縮やBCS転移即ち超流動を起こす。薄膜の励起には超伝導トンネル接合を利用し、0.1THz程度のフォノンパルスを生成して吸着基板に照射し、励起粒子が基底状態に戻る時間内に超流動を観測することを目指す。この方法で熱平衡では実現不可能な超流動状態や構成粒子が内部構造を持つ新規超流動を実現できる。またレーザー冷却が困難な分子や、C60のような重い分子の超流動を実現し、非平衡超流動薄膜による新物理を開拓する。

  • Elucidation of microscopic dynamics of quantum vortex in superfluid helium

    2018.04
    -
    2021.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research, Yusuke Nago, Grant-in-Aid for Early-Career Scientists, Research grant, Principal investigator

    　View Summary

    Si基板に作製したトレンチ構造の上にカーボンナノチューブ(CNT)を架橋し、直接NbN超伝導薄膜を形成することによって架橋超伝導ナノワイヤー(scNW)機械共振器を作製した。できる限り高振幅振動を実現させるため、典型的な架橋CNTを用いた共振器に比べて十分長い直線型のscNWの作製に取り組み、直径～100nm、最大長さ～13umの架橋scNWの実現に成功した。予備実験としてscNWの電気抵抗の温度依存性を測定し、約14Kで超伝導転移を起こすことを確認した。アーチ型の架橋scNWの作製も試みたが、CNTをアーチ型に成長させることは成功したものの架橋される確率が低く、作製が非常に高難易度であることがわかった。
    超流動ヘリウム中でのscNWの機械共振テストを行うため、冷凍機および配線回路の準備を行った。真鍮製のハーメチックコネクタ付フィードスルーを作製し、冷凍機内に同軸配線を増築した。また、試料台を設計・金属加工作製し、超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子を準備した。これらの振動子は、ヘリウム液面計、配線回路や印加磁場中の動作チェック、および本実験における量子渦生成装置として用いる。液中で生成した渦環がscNWまで到達して検出できるように、各振動子とscNW基板を互いの間隔を微調整して試料台上に配置した。試料を冷凍機で温度1.3K まで冷却し、購入した高周波ロックインアンプを用いて真空中および液体ヘリウム中で各振動装置の動作テストを行った。ナノワイヤー共振器については、磁場の有無で信号の相違を観測したが、現在のところ機械共振信号の確証までは至っていない。超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子においては正常動作確認し、液体の粘性抵抗の温度依存性および超流動転移の観測に成功した。
    scNW共振器の作製、冷凍機および配線回路の準備、および超流動中での超伝導細線振動子と音叉型水晶振動子のテスト実験までは順調に進んだが、主題であるscNW共振器の共振信号の観測にまでは至らなかった。他の振動子は正常に測定できていることから、冷凍機内の配線回路や熱アンカーの取り回しの問題はないと思われる。現在以下の可能性について考えている。1.共振周波数が予想値と大きく異なっている、もしくはQ値が非常に高いため、現状の測定精度で観測できない、2.使用したscNW基板およびソケット周りの配線接続不良、3.そもそもscNWが正常に機械的強制振動してない。
    scNW共振器の機械共振信号を探索し、超流動中での共振実験を行う。現在までの進捗状況で述べた考えうる原因の解決に向けて、以下の改善を行う。1.より高分解能な発振器を用いて広範な周波数帯域で時間をかけて測定を試みる。2.基板上の配線不良に関しては、scNW基板を大量生産して、一つずつ調べることで正常動作する試料を探す。また、ソケット周りは出来る限り不要な接続部分を取り除き、シンプルな配線接続に改良する。3.本構造のscNWの超流動中の共振実験例はまだないため、先行研究の作製方法を踏襲し、CNTを用いず微細加工で作製した架橋ナノビームも同時進行で作製し、比較テスト実験を検討する。基本的にはトレンチ構造作製と同様のプロセスで作製可能である。
    また、最近新たに～10MHzの高周波水晶振動子を見つけたため、この振動子の共振テストを行い、高周波領域での量子渦の生成検出実験への応用の可能性やscNW共振器との比較対象としての利用の可能性について調べる予定である。
    scNW共振器を量子乱流減衰過程で放出される素励起の検出器として用いるための評価実験を検討し、フォノン生成装置として超伝導接合デバイスを準備する。超伝導接合作製は、現在進めている別のテーマ研究ですでに確立した方法を応用する。本デバイスは上記の振動子とともに簡易冷凍機で同時にテスト実験を行う。

  • Study of Quantum Vortex States in Spin-triplet Chiral p-wave Superconductor

    2015.04
    -
    2017.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research, Yusuke Nago, SAKUMA Daisuke, SHINOZAKI Tomoya, SATO Taichi, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), Research grant, Principal investigator

    　View Summary

    We developed magnetization measurement devices composed of micro dc-SQUIDs and Sr2RuO4(SRO) microplates for clarification of novel quantum vortex states attributable to spin-triplet chiral p-wave superconductivity, and obtained the experimental results as follows.
    1.Two distinct signals of the vortices implying influence of chiral superconductivity were obtained. 2. In the magnetization measurements under the in-plane magnetic field, the vortex signal implying a half-quantum vortex was detected. 3. In the magnetization measurements of SRO-Ru eutectic microplates, spatial distribution change of induced magnetic flux due to the superconducting transition of Ru was observed. However, spontaneous nucleation of vortex attributable to the phase competition between s-wave and chiral p-wave superconductivities was not observed.

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Awards 【 Display / hide 】

  • 領域6若手奨励賞受賞

    永合 祐輔, 2018.03, 日本物理学会, 超流動ヘリウムにおける量子渦・量子乱流発生機構の実験的解明

    Type of Award： Award from Japanese society, conference, symposium, etc.

  • 第10回低温工学・超伝導若手合同講演会信貴賞

    永合祐輔, 2011.12, 低温工学協会, 超微細超伝導線振動子による超流動ヘリウム中の量子渦検出

    Type of Award： Award from Japanese society, conference, symposium, etc.

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Other 【 Display / hide 】

  • 振動物体を用いた超流動ヘリウム中量子渦・量子乱流生成

    2017年12月

    　View Details

    大阪市立大学　2017年度 物理教室年末研究発表会　招待講演

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Courses Taught 【 Display / hide 】

  • PHYSICS LABORATORIES 2

    2023

  • PHYSICS LABORATORIES 1

    2023

  • LABORATORY IN SCIENCE

    2023

  • LABORATORIES IN SCIENCE AND TECHNOLOGY

    2023

  • PHYSICS SEMINAR 4

    2022

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Courses Previously Taught 【 Display / hide 】

  • 物理学実験第２

    Keio University

    2018.04
    -
    2019.03
    , 

    Autumn Semester, Laboratory work/practical work/exercise, Within own ｆaculty, 6h

  • 自然科学実験

    Keio University

    2018.04
    -
    2019.03
    , 

    Spring Semester, Laboratory work/practical work/exercise, Within own ｆaculty, 3h

  • 物理学実験第１

    Keio University

    2018.04
    -
    2019.03
    , 

    Spring Semester, Laboratory work/practical work/exercise, Within own ｆaculty, 6h

  • 物理学Ｄ演習

    Keio University

    2018.04
    -
    2019.03
    , 

    Autumn Semester, Seminar, Within own ｆaculty, 2h

  • 物理学実験第２

    Keio University

    2017.04
    -
    2018.03
    , 

    Autumn Semester, Laboratory work/practical work/exercise, Within own ｆaculty, 6h

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Social Activities 【 Display / hide 】

  • 絶対零度の世界～超伝導の不思議～

    慶應義塾大学, 2019年度 塾内高校生のための夏休み研究体験　 （慶應義塾大学矢上キャンパス)

    , 
    2019.08

  • 超低温物理の世界：超流動と超伝導

    慶應義塾大学, 慶應義塾大学オープンキャンパス 一般向け講演 学問のすゝめ （慶應義塾大学矢上キャンパス)

    , 
    2016.08
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Memberships in Academic Societies 【 Display / hide 】

  • 公益社団法人　応用物理学会, 

    2014.02
    -
    Present

  • 一般社団法人　日本物理学会, 

    2006.01
    -
    Present
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Committee Experiences 【 Display / hide 】

  • 2019.10
    -
    2020.09

    日本物理学会領域6運営委員

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