Theoretical study on control and observation of quantum states by many-body effects using mesoscopic complexes
| Project/Area Number |
21K03415
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | Keio University (2022)
The University of Tokyo (2021) |
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Principal Investigator |
阪野 塁 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任講師 (00625022)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 量子ドット / 量子輸送 / 近藤効果 / 量子多体効果 / 局所フェルミ流体 / 輸送現象 / 量子干渉効果 / 量子もつれ / メゾスコピック / 多体効果 |
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| Outline of Research at the Start |
メゾスコピック複合系でおこる量子多体効果の励起状態や量子もつれなどの動的特性の解明し、それらを電流や電流ゆらぎなどの輸送特性を用いて検出するための物理系をデザインすることが本研究の目的である。場の理論や完全係数統計、ベルの不等式などの理論手法を用いて、多体状態の励起の散乱や量子もつれ特性を明らかにする。近年、ナノデバイスの量子状態制御技術は需要の増大に伴い大きく向上している。国内外の理論グループ、実験グループと協力し、これまで観測が難しかった量子多体効果の新しい特性を検証するための理論を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近藤効果は典型的な量子多体効果であり、多彩な物質系や人工系において観測されてきた。
近藤効果の典型的なエネルギースケールは近藤温度と呼ばれ、近藤効果による物性を調べる際に鍵となる重要な量である。近藤効果は低温で、不純物原子や量子ドットの磁気モーメントがそれに結合した伝導電子によって一重項を形成し、磁気モーメントを消失するクロスオーバー現象である。そのため観測された物理量のクロスオーバー過程の温度として、大雑把に決めることがよく行われてきた。
しかし、近年、人工量子系では低エネルギーでの精緻な物性測定が可能になり、近藤効果によって掲載された局所フェルミ流体状態の詳しい探索が集中的に行われている。その際には、局所フェルミ流体理論によって定義された近藤温度と定量的整合するように測定することで、局所フェルミ流体状態の多くの物性を定量的に明らかすることが可能になる。
我々は、近藤温度を定量的に決める方法として、基底状態における磁場依存性に現れる普遍スケーリング特性を利用することを提案した。量子ドットの近藤効果の電流が磁場によって抑制される時、コンダクタンスがゼロ磁場の値の半値を与える磁場の強さには近藤温度と比例関係がある。この比例定数を厳密解を用いて特定した。さらに、コンダクタンスの磁場依存性を簡素な解析式で与えられながらも信頼性の高い経験則式を、厳密解と最小2乗法を用いて導出した。これも実験データへの曲線あてはめに利用することで近藤温度の導出に用いることができる。
さらに我々は、この手法を実際のカーボンナノチューブ量子ドットで観測された実験に適用して、近藤温度の解析を行った。その結果、コンダクタンスの磁場依存性の普遍特性の再現に成功し、ゲート電圧依存性も定性的に理論とよく合うことを確認できた。
この手法は量子ドットに限らず、温度の制御の難しい冷却原子系などで特に有用な新しい方法である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
物理量の磁場依存性スケーリングより近藤温度を決定する手法についての研究は、理論面では経験則式の導出などを行い、更に実験データへの適用では、ゲート電圧依存性、リード-ドット結合の非対称性が実験データへの適用するなどの進展があり、それらの結果をまとめることで、最近論文にまとめて投稿を行った。また、その研究過程では学会発表や国際会議でも発表を行ってきた。
次の3つのテーマについても研究が進んでいて、学会発表や国際会議での成果発表を行い、現在論文投稿の準備段階にある： 「量子干渉計に埋め込まれたドットの近藤効果による輸送」、「軌道縮退のある不純物系の近藤効果のフェルミ流体補正の熱電特性への影響解析」、「軌道縮退のある量子ドット系での結合やバイアス電圧印加におけるリード間非対称性によって誘起されたフェルミ流体補正による輸送の変調」。さらに、超伝導/常伝導接合のベルエンタングルメントの解析に向けて、もっとも単純な接合系の解析を始めている。
以上により、本研究課題は概ね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
複数の常伝導電極に結合した超伝導体の輸送の電流相関に現れる、ベルのエンタングルメント相関について明らかにする。この系では超伝導体と常伝導電極の間の散乱で、交差と直接の2つの型のアンドレーエフ反射が起こり、電流を誘起する。とくに交差アンドレーエフ反射は異なる電極を流れる電流間に、クーパーペア分離によるスピンエンタングルメントを引き起こす。これを電流間のベル相関を用いて検出する方法を理論的に確立することを目指す。
とくに、この系では常電導電極間の直接電流や直接アンドレーエフ反射による電流も現れるため、その影響を明らかにすることが課題である。完全係数統計の手法を用いで、散乱過程と結合強度、バイアス電圧の関係を明らかにしつつ、ベルのエンタングルメントの測定のためのセットアップ探索する予定である。この成果は国内学会、アメリカ物理学会で発表の予定である。
さらに、次の課題として異なるラッティンジャー定数を持つ1次元接合系のショットノイズ特性について明らかにする予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(25 results)
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[Presentation] Universal Scaling property of Linear Conductance through a Kondo Dot in Magnetic Field and its Application2022
Author(s)
Rui Sakano, Tokuro Hata, Kaiji Motoyama, Yoshimichi Teratani, Tomonori Arakawa, Kazuhiko Tsutsumi, Meydi Ferrier, Rechard Deblock, Mikio Eto, Kensuke Kobayashi, and Akira Oguri
Organizer
the 29th International Conference on Low Temperature Physics
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[Presentation] 磁気コンダクタンスを用いた近藤温度の見積もりの実験データへの適用2022
Author(s)
阪野塁, 秦徳郎, 本山海司, 寺谷義道, 堤和彦, 荒川智紀, Meydi Ferrier, Richard Deblock, 江藤幹雄, 小林研介, 小栗章
Organizer
日本物理学会2022年秋季大会秋季大会
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