マルチスケールな電子状態制御による量子ホール効果相転移の研究

• Project/Area Number: 18K04874
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 冨松 透 東北大学, 理学研究科, 助教 (60712396)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 二次元電子系輸送現象 / 量子ホール効果 / 走査ゲート顕微法 / 局所電界制御 / 相転移 / 電子散乱 / 局所電子散乱 / 相転移現象

Outline of Annual Research Achievements

電子の局在や内在ポテンシャルの不均一性が関係する量子ホール効果相転移現象の解明のために (1)マクロな電子状態の制御に加え、(2)AFM 探針の局所電界を利用するミクロな電子状態制御の下で、マルチスケールな 2DEG の伝導特性評価を行った。内在局所ポテンシャルの相転移に及ぼす影響を調べるため、不純物分布の異なる高移動度及び低移動度の量子井戸構造試料の抵抗特性を比較した。
量子ホール相転移の結果として現れる普遍的な2DEG伝導特性を評価するため、不純物の少ない高移動度試料で、電子充填率等の制御因子と抵抗変化挙動との相関を調べた。走査型ゲート顕微法(SGM法)で調べた局所電子散乱分布の結果を基に考察し、2DEG中の絶縁相 (非圧縮性ストリップ)上で認められる大きな電子散乱が、エネルギー無散逸状態からバルク伝導への起点として相転移に寄与することが分かった。絶縁相形成の理論解析により、2DEG閉じ込めポテンシャルのエネルギー分布形状が、抵抗の基本挙動を決定する支配因子であることが明らかになった。
また、低移動度試料では2DEG抵抗値のばらつきの個体差拡大や劇的抵抗変化の顕在化など、高移動度試料との明確な相転移モードの違いを確認した。抵抗特性の試料によるばらつきは、内在局所ポテンシャルの無秩序性を反映している。これまでのSGM測定で見られた非圧縮性ストリップ付近の不均一なドット状のパターンから、不純物ポテンシャルが局所電子散乱からなだれ降伏的バルク伝導への転移のピン止めやトリガーとして働く可能性が示された。

Research Products

• [Journal Article] Probing the breakdown of topological protection: Filling-factor-dependent evolution of robust quantum Hall incompressible phases (2020)
  • Author(s): T. Tomimatsu, K. Hashimoto, S. Taninaka, S. Nomura, and Y. Hirayama
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 1 Pages: 013128-013128
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.013128
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Asymmetric Line Shape of Near-field Luminescence Spectrum Induced by Stress in Al2O3 (2018)
  • Author(s): Toru Tomimatsu and Ryo Takigawa
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 30 Issue: 12 Pages: 2881
  • DOI: 10.18494/SAM.2018.2019
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2018-12-18
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scanning nuclear resonance imaging of a hyperfine-coupled quantum Hall system (2018)
  • Author(s): Katsushi Hashimoto, Toru Tomimatsu, Ken Sato & Yoshiro Hirayama
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 2215-2215
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04612-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A Study of the Incompressible Strip in Quantum Hall System by Scanning Gate Microscopy (2019)
  • Author(s): Toru Tomimatsu, K. Hashimoto, S. Taninaka, S. Nomura, K. Sato, and Y. Hirayama
  • Organizer: 2019 Collaborative Conference on Materials Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子ホール非圧縮性状態の走査ゲートイメージング (2019)
  • Author(s): 橋本克之, 冨松透, 谷中俊宥, 野村晋太郎, 平山祥郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会(九州大学)
• [Presentation] Stress at the Crack Tip on Alumina Measured by Near-field Luminescence Spectroscopy (2018)
  • Author(s): Toru Tomimatsu and Ryo Takigawa
  • Organizer: 23th Microoptics Conference(Taipei, Taiwan)
  • Int'l Joint Research