走査プローブ法を用いた量子多体系の相転移の研究

• Project/Area Number: 10102003
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 福山 寛 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教授 (00181298)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 神原 浩 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (00313198) ; 大野 圭司 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (00302802) ; 樽茶 清悟 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (40302799) ; CHRISTOPHER ボイヤレ 東京大学, 大学院・理学系研究科, 学振外国人特別研究員
• Project Period (FY): 1998 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥277,600,000 (Direct Cost: ¥271,000,000、Indirect Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2002: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2001: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2000: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥13,000,000); Fiscal Year 1999: ¥100,000,000 (Direct Cost: ¥100,000,000); Fiscal Year 1998: ¥136,000,000 (Direct Cost: ¥136,000,000)
• Keywords: 低温走査トンネル顕微鏡 / 量子液体・固体 / 超流動 / 量子スピン液体 / 電子間相互作用 / 低次元電子 / 量子ドット / 超低温 / 単原子層膜 / 核磁気秩序 / 朝永-ラッテインジャー液体 / 温度スケール / 温度計 / 朝永-ラッティンジャー液体 / 多体交換相互作用 / 走査プローブ / 電気伝導 / 多体効果 / 低温高真空STM / フェルミ流体 / 走査トンネル顕微鏡 / 分割電極構造 / 電子状態遷移 / 電子液滴

Research Abstract

1)核断熱消磁冷凍法により51μKの超低温度を達成し、グラファイト表面に吸着した単原子層^3Heの比熱とNMR測定を開始した。これは本格的な物性測定としては世界有数の低い温度である。その結果、高密度流体^3Heの準粒子有効質量が裸の^3He質量の20倍もあり、この系が強く相互作用した2次元フェルミ流体であることを見出した。現在、試料密度を変えながら2次元の超流動転移を探索している。また、低密度整合固相の零磁場比熱を測定し、我々が以前報告した緩やかなダブルピーク構造を再確認した。現在は、磁場下での量子スピン液体状態の"スピン固化"を探索するため、磁場中比熱測定を行っている。
2)昨年度までに建設の終了した超低温走査トンネル顕微鏡をテスト運転した結果判明した種々の問題点を改良し、最終的に史上最も低い試料温度(30mK)で原子分解能を有する装置となった。現在、2次元固体の構造、半導体量子構造の観測準備をしている。
3)弱結合半導体量子ドットを用いて、理想的な直列接続2準位系(それぞれスピン縮退)を実現し、その電気伝導がパウリの排他律によって整流特性を示すことを明らかにした。これによって、電気伝導におけるパウリ効果の一般性を実証することができた。また、半導体量子ドット中のスピン緩和時間を測定するポンプ・プローブ法を開発し、200μsを越える極めて長い緩和時間の存在を初めて捕らえた。
4)電子状態のSTM観察用として、InAs/GaAs系の自然形成ドットと自然形成アンチドットを準備した。前者では、ドットの中に閉じ込められた電子系、後者ではドットの回りに引き付けられた電子系("スーパーアトム状態")が形成される。極低温STM装置については、STMヘッドを^3He冷凍機に取り付け、長期間(2ヶ月)の高温ベークの末、半導体劈開面の観察に必要な超高真空度を達成し、InAsバルク結晶の劈開面の観察を行った。今後、自然形成ドット、自然形成アンチドットの順で劈開面の観察を行う予定である。

Research Products

• [Publications] T.Matsui: "Construction of an Ultra-Low Temperature STM with a Bottom Loading Mechanism"Physica B. (印刷中). (2003)
• [Publications] H.Kambara: "Preliminary Scanning Tunneling Spectrosocopy Studies of Sr_2RuO_4"Physica C. (印刷中). (2003)
• [Publications] Y.Matsumoto: "Experimental Apparatus for Heat Capacity Measurements of 2D ^3He in Magnetic Fields"Physica B. (印刷中). (2003)
• [Publications] K.Ono: "Current Rectification by Pauli Exclusion in a Weakly Coupled Double Dot Hubbard System"Science. 297. 1313-1317 (2002)
• [Publications] T.Fujisawa: "Allowed and forbidden transitions in artificial hydrogen and helium atoms"Nature. 419. 278-281 (2002)
• [Publications] T.Ota: "Transport properties of a single pair of coupled self-assembled InAs quantum dots"Physica E. (印刷中). (2003)
• [Publications] S.Tarucha: "Advanced Luminescent Materials and Quantum Confinement II"The Electrochemical Society, Pennington, USA. 218 (2002)
• [Publications] T.Matsui: "STM Observation of 2D Kr and Xe adsorbed on Graphite"J. Low Temperature Physics. 126. 373-378 (2002)
• [Publications] M.Morishita: "Anomalous Nuclear-spin Heat Capacities in Submonolayer Solid ^3He Adsorbed on Graphite"Physical Review B. (印刷中)(校正終了). (2002)
• [Publications] De Franceschi: "Electron Cotunneling in a Semiconductor Quantum Dot"Phys. Rev. Lett.. 86. 878-881 (2001)
• [Publications] S.Tarucha: "Spin effects in semiconductor quantum dot structures"Physica E. 10. 45-51 (2001)
• [Publications] S.Amaha: "Magnetic field induced transitions in the few-electron ground states of artificial molecules"Solid State Comm.. 119. 183-190 (2001)
• [Publications] S.Tarucha: "Physics and Applications of Semiconductor Quantum Structure"IOP Publishing Co., Bristol, UK. 483 (2001)
• [Publications] T.Matsui: "Development of a new ULT Scanning Tunneling Microscope at University of Tokyo"J.Low Temperature Physics. 121. 803-808 (2000)
• [Publications] S.Tarucha: "Effects of Coulomb interactions on spin states in vertical semiconductor quantum dots"Applied Physics. A71. 367-378 (2000)
• [Publications] S.Sasaki: "Kondo effect in an integer-spinquantum dot"Nature. 405. 15-19 (2000)
• [Publications] W.G.van der Wiel: "The Kondo Effect in the Unitary Limit"Science. 289. 2105-2108 (2000)
• [Publications] M.Morishita: "Anomalous Nuclear-spin Heat Capacities in Submonolayer Solid ^3He Adsorbed on Graphite"Physical Review B. (印刷中). (2001)
• [Publications] H. Fukuyama: "A Possible Quantum Spin-Liquid State in Antiferromagnetic 2D Solid ^3He"Physica B. 印刷中. (2000)
• [Publications] M. Morishita: "Nuclear-Spin Heat Capacities of Submonolayer Solid ^3He"Physica B. 印刷中. (2000)
• [Publications] K. Yokota: "Superconductivity in the quasi two-dimensional conductor 2H-TaSe_2"Physica B. 印刷中. (2000)
• [Publications] T. H. Oosterkamp: "The stability of the maximum density droplet in quantum dots in high imagnetic field"Physical Review Letters. 82. 2931-2934 (1999)
• [Publications] P.D. Ye: "Internal magnetic focusing in an array of ballistic cavities"Physical Review. B59. 9794-9797 (1999)
• [Publications] S. Tarucha: "Exchange and direct Coulomb interactions in artificial atoms"Physical Review Letters. 印刷中. (2000)
• [Publications] M.Morishita: "Low Temperature Heat Capacities of Submonolayer Solid ^3He" Journal of Low Temperature Physics. 113. 271-276 (1998)
• [Publications] M.Morishita: "Heat Capacities of Molayer ^3He Fluids Floated on a Superfluid ^4He Thin Film" Journal of Low Temperature Physics. 113. 299-304 (1998)
• [Publications] C.Bauerle: "Studies of 2D Cryocrystals by STM Techniquess" Journal of Low Temperature Physics. 113. 927-932 (1998)
• [Publications] D.G.Austing: "Manipulation of the lateral potential geometry of a quantum dot located in a multiple gated vertical single electron transistor" Physica E. 2. 583-587 (1998)
• [Publications] W.G.van der Wiel: "Singlet-triplet transitions in an few-electron quantum dot" Physica B. 256-258. 173-177 (1998)
• [Publications] T.H.Oosterkamp: "The stabilityn of the maximum density droplet in quantum dots in high magnetic field" Physical Review Letters. (印刷中). (1999)