Spin of carbon nanotubes

• Project/Area Number: 21K03414
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 泉田 渉 東北大学, 理学研究科, 助教 (20372287)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ナノチューブ / スピン / モータ

Outline of Research at the Start

カーボンナノチューブは、スピンを用いた量子素子材料としても注目されている。しかしその量子物性には未解明の点が多い。
これまでの研究により、スピン軌道相互作用やトポロジカルな性質が明らかとなった。本研究では、これら従来見過ごされていた効果に着目し、未解明現象および未知の物性を明らかにすることを目的とする。
このために、電子相関まで考慮してナノチューブにおける電子スピン状態を調べる。
さらに、スピンとの相互作用によるナノチューブのナノ機械としての機能を明らかとするための理論研究を推進する。

Outline of Annual Research Achievements

カーボンナノチューブはスピンを用いた量子素子材料としても重要な物質として注目されている。この観点から、ナノチューブにおけるスピン状態を明らかにすることは重要な課題である。本研究では、ナノチューブの電子スピン状態を調べ、さらに電子スピンの相互作用を調べることで、ナノチューブの電子スピンに関する量子物性、および、機械素子としての機能を明らかとするための理論研究を推進する。すなわち、カーボンナノチューブをスピンの観点から研究することで、スピンが引き起こす物性現象の探求及びおよびスピン素子としての性質を明らかにすることを目的とする。
ナノチューブ表面の曲率がスピン軌道相互作用を誘起することは先行研究により明らかとなっていたが、この効果に関して、昨年度に引き続き、従来の理論とは異なる観点から理論的に考察した。
適宜、研究討論、研究打ち合わせ、研究成果発表を行うことにより、遂行中の研究の問題点を明らかにして検討を行うことにより、効果的に研究を遂行した。
また、電子スピンとナノチューブの機械運動との相互作用による角運動量交換に関するミクロスコピック理論により、電子スピンによって駆動するナノチューブモータの可能性を示しており、この研究に関してはすでに複数の学術雑誌や学会発表において公表していた。これに関連して特定の研究領域の研究者層よりもひろい読者層が想定されている雑誌に「一番小さな磁石 電子スピンで駆動するナノモータ」と題して研究を紹介する記事が掲載された。これにより、よりひろく研究成果を公表することができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画に沿って研究が進捗しているため。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画に沿って今後も研究を進めていく。
また、研究討論、研究打ち合わせ、成果発表のための旅行も実施することで、より効率的に研究を進めることを計画している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 中国科学院大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 中国科学院大学(中国)
• [Journal Article] 一番小さな磁石 電子スピンで駆動するナノモータ (2024)
  • Author(s): 泉田 渉
  • Journal Title: トランジスタ技術SPECIAL Volume: No.165 Pages: 170-176
• [Journal Article] 電子スピンにより駆動するナノモーター (2022)
  • Author(s): 泉田 渉, 奥山 倫, 加藤岳生, 松尾 衛
  • Journal Title: 固体物理, 57, 547-554 (2022). Volume: 57 Pages: 547-554
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum Effects in Carbon Nanotubes: Effects of Curvature, Finite-Length and Topological Property (2022)
  • Author(s): Izumida Wataru
  • Journal Title: Quantum Hybrid Electronics and Materials Volume: - Pages: 123-148
  • DOI: 10.1007/978-981-19-1201-6_7
  • ISBN: 9789811912009, 9789811912016
• [Journal Article] Kondo effects in quantum dots: Theory (2022)
  • Author(s): Izumida Wataru
  • Journal Title: Reference Collection in Materials Science and Materials Engineering Volume: - Pages: 381-387
  • DOI: 10.1016/b978-0-323-90800-9.00049-4
  • ISBN: 9780323914086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Einstein-de Haas Nanorotor (2022)
  • Author(s): W. Izumida, R. Okuyama, K. Sato, T. Kato, M. Matsuo
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 128 Issue: 1 Pages: 017701-017701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.017701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermally assisted Pauli spin blockade in double quantum dots (2021)
  • Author(s): M. Kondo, S. Miyota, W. Izumida, S. Amaha, T. Hatano
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 15
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.155414
  • Peer Reviewed
• [Presentation] JavaScript を用いたカーボンナノチューブの原子配置の再現 (2024)
  • Author(s): 中村 佑輔, 泉田 渉, 羽田野 剛司
  • Organizer: 令和6年東北地区若手研究者研究発表会,
• [Presentation] 曲率を持つ物質の有効模型の構築：対称性の観点から (2023)
  • Author(s): 山影 相, 佐藤 哲也, 奥山 倫, 船戸 匠, 泉田 渉, 佐藤 健太郎, 加藤 岳生, 松尾 衛
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 曲率を持つ物質に対する強束縛近似法とバンド構造 (2023)
  • Author(s): 佐藤 哲也, 山影 相, 奥山 倫, 船戸 匠, 泉田 渉, 佐藤 健太郎, 加藤 岳生, 松尾 衛
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Einstein-de Haas Nanorotor (2022)
  • Author(s): W. Izumida, R. Okuyama, K. Sato, T. Kato, M. Matsuo
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermally assisted quadruplet Pauli spin blockade in serial coupled double quantum dots (2021)
  • Author(s): T. Hatano, M. Kondo, S. Miyota, S. Amaha, W. Izumida
  • Organizer: Joint Conference: The 24st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-24) and the 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Majorana bound states in proximitized carbon nanotubes (2021)
  • Author(s): Magdalena Marganska, Lars Milz, Wataru Izumida, Christoph Strunk, Milena Grifoni
  • Organizer: NT21: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low- Dimensional Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] トポロジカル物質としてのカーボンナノチューブ (2021)
  • Author(s): 泉田 渉
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季講演会
  • Invited