Developing thermoelectric devices based on non-thermal metastable states in low-dimensional electron systems

• Project/Area Number: 23K17302
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2029-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2028: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2027: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2026: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 低次元電子系 / 非熱的状態 / 朝永ラッティンジャー液体 / エネルギーハーベスティング / 量子ホールエッジチャネル / 熱電制御 / 非熱的準安定状態 / 量子ホール効果

Outline of Research at the Start

本研究は、可積分系の特徴を示す１次元系（朝永ラッティンジャー液体）と離散準位を示す０次元系（量子ドット）を結合した低次元電子系を用いて、この系特有の非熱的準安定状態とその輸送現象を探究することで、従来の平衡条件に近い熱電現象とは質的に異なる新規な機能性をもつ熱電制御の開拓を目指す。ランダウ占有率2の量子ホールエッジチャネルに現れる朝永ラッティンジャー液体を主な対象として、非平衡状態の励起方法や測定手法を開拓し、長寿命の非熱的状態の自由度や制御に関する研究を進める。また、非熱的状態の活用により、高性能な熱電素子や熱電回路の原理実証実験を行い、エネルギーハーベスト技術への設計指針を得る。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、可積分系の特徴を示す１次元系（朝永ラッティンジャー液体）と離散準位を示す０次元系（量子ドット）を結合した低次元電子系を用いて、この系特有の非熱的準安定状態とその輸送現象を探究することで、従来の平衡条件に近い熱電現象とは質的に異なる新規な機能性をもつ熱電制御の開拓を目指している。ランダウ占有率2の量子ホールエッジに現れる朝永ラッティンジャー液体を主な対象として、非平衡状態の励起方法や測定手法を開拓し、長寿命の非熱的状態の自由度や制御に関する研究を進める計画である。また、非熱的状態の活用により、高性能な熱電素子や熱電回路の原理実証実験を行い、エネルギーハーベスト技術の設計指針を得ることなどを目的としている。具体的には、AlGaAs/GaAs半導体ヘテロ構造の微細加工によりメゾスコピック量子ホール系の集積熱電素子を作製し、極低温での精密熱電輸送測定・時間分解熱電測定により研究を進めている。
令和５年度は、量子ドット熱電機関を用いて、量子ホール系の朝永ラッティンジャー液体の非熱的状態からの熱電変換実験を行った。この系での非熱的状態のエネルギー分布関数は、２成分のフェルミ分布関数でよく近似できることを確認し、この特性により高い起電力の熱電特性を示すことを、実験と計算によって確認した。また、熱緩和した場合の最大効率（カルノー効率）を上回る熱効率が期待されることを計算で確認した。これらの結果は、本研究を進める上で重要な知見である。さらに、量子ドット熱電機関の基本特性についても研究を進め、量子ドットの励起状態の影響について調べた。２つのトンネル障壁を非対称にする（非熱的状態側のトンネル速度を小さく、低温側のトンネル速度を大きく設定する）ことで高い発電電流を維持できることを、実験と計算によって確認した。これらの結果は、量子ドット熱電機関の特性を最適化する上で重要な知見となる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、朝永ラッティンジャー液体の非熱的状態を活用した熱電制御の開拓を目指している。２成分フェルミ分布関数で近似できる非熱的状態を再現性よく観測できたことは本研究を進める上で勇気づけられる結果であり、その結果として、高い起電力の熱電特性を実験的に示したことは、重要な一歩である。さらに、熱緩和した場合の最大効率（カルノー効率）を上回る熱効率が期待されること（数値計算）は、今後の研究を進める上で重要な予言であり、今後の実験が期待される。
また、電子が幅広いエネルギー範囲に分布している非熱的状態（２成分フェルミ分布関数）において、量子ドットの励起状態の影響は重要な懸念である。励起状態によって、不要な熱流が発生し、発電効率が著しく低下する懸念があった。この問題を２つのトンネル障壁を非対称にする（非熱的状態側のトンネル速度を小さく、低温側のトンネル速度を大きく設定する）ことで解決できることを実験と計算によって確認した。これらの結果は、量子ドット熱電機関の特性を最適化する上で重要な知見となり、今後の研究にも活かすことができる。
このほか、量子ホールエッジ状態における高エネルギーの電子（ホットエレクトロン）の電子電子散乱過程を調べることで、電子間で交換されるエネルギーに上限があることを見出した。これは、単一電子状態のホットエレクトロンと多体電子状態の朝永ラッティンジャー液体との移り変わりに関する知見であり、朝永ラッティンジャー液体を活用する本研究においても重要な知見となる。
以上の研究の進展があったことから、本研究は順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

令和５年度の成果をもとに、朝永ラッティンジャー液体の非熱的状態を活用した熱電制御の開拓を進める。量子ドット熱電機関を用いた非熱的状態からのエネルギーハーベスティングにおいて、熱効率を調べる方法について検討を進め、仕事を得る実験条件から類推する方法、実験的に測定する方法について研究を進める。熱緩和した場合の最大効率（カルノー効率）を上回る熱効率が得られることを示すことができると、インパクトの大きな成果に繋がると考えられる。
また、熱効率としては単一準位のみを用いた量子ドット熱電機関が好ましいが、励起状態を活用することで発電の電力を大きくできると期待される。このように、熱効率と発電量という観点で、系統的な研究を進めてゆく方針である。
量子ホールエッジ状態における高エネルギーの電子（ホットエレクトロン）について、令和5年度の成果をもとに研究を進め、ホットエレクトロンに対して高分解能なエネルギー分光を可能にする丘上量子ドット(hilltop quantum dot)を開発し、エネルギー分光手法を確立するとともに、電子電子散乱による交換エネルギー上限の評価を行うことができることを明らかにする論文の出版を目指している。この知見を活かして、朝永ラッティンジャー液体に、顕著に非平衡な非熱的状態を形成することができると期待している。
これらの研究を実施するため、所望の素子構造を設計し、電子ビーム露光などによりAlGaAs/GaAs半導体ヘテロ構造を微細加工し、メゾスコピック量子ホール系による集積熱電素子を作製する。得られた試料は、希釈冷凍機などの極低温環境において、精密熱電輸送測定・時間分解熱電測定を行うことで実験データを収集する。得られた実験結果は、非熱的状態を仮定した輸送特性や熱電特性の計算と比較することで、物理的な解釈に繋げる計画である。これらを総合して研究を遂行する。

Research Products

• [Presentation] 量子ドット熱電機関における励起状態の影響 (2024)
  • Author(s): 植村将史, 山崎輝, 秦徳郎, Chaojing Lin, 秋保貴史, 村木康二, 藤澤利正
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] 静電量子ドットを用いた量子ホールエッジチャネルにおけるホットエレクトロンの電子電子散乱過程に関する研究 (2024)
  • Author(s): 大石遼, 本宮悠渡, 秦徳郎, Chaojing Lin, 秋保貴史, 村木康二, 藤澤利正
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Crossover dynamics from hot electrons to a non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid in quantum Hall edge channels (2023)
  • Author(s): Toshimasa Fujisawa
  • Organizer: 12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (SpinCamp2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-thermal Tomonaga-Luttinger liquid emarged from hot electrons in quantum Hall edge channels (2023)
  • Author(s): K. Suzuki, T. Hata, Y. Sato, T. Akiho, K. Muraki, and T. Fujisawa
  • Organizer: 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems & 21st International Conference on Modulated Semiconductor Structures (EP2DS25-MSS21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非熱的朝永ラッティンジャー液体に対する量子ドット熱電機関 (2023)
  • Author(s): 山崎輝, 植村将史, 秦徳郎, Chaojing Lin, 秋保貴史, 村木康二, 藤澤利正
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Remarks] Fujisawa Laboratory
  • URL: http://fujisawa.phys.titech.ac.jp/