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Nano-Gate Manipulation of Anyon Particles

Research Project

Project/Area Number 23K23165
Project/Area Number (Other) 22H01897 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

橋本 克之  東北大学, 理学研究科, 助教 (30451511)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 柴田 尚和  東北大学, 理学研究科, 教授 (40302385)
平山 祥郎  東北大学, 先端スピントロニクス研究開発センター, 総長特命教授 (20393754)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Keywords走査プローブ顕微鏡 / エニオン / 分数量子ホール効果 / 量子ポイントコンタクト / 核スピン共鳴 / 量子ホール効果 / 抵抗検出核磁気共鳴
Outline of Research at the Start

外乱に乱されず強固な量子計算を可能にする特異な性質を持つ、二次元電子系の素励起(エニオン)の研究が世界中で加速している。本研究では、走査プローブ・ナノゲート技術を導入し、エニオンをナノスケールで直接「観る」ことで検証し、精密かつ自在に「制御・操作する」ことでその操作性を明らかにする。本研究は、トポロジカル粒子のナノ空間制御により革新的な誤り耐性量子計算デバイスの基盤技術を確立しようとする世界で最初の試みであり、本研究の遂行は、トポロジカル量子計算の鍵となるエニオン分数統計性の制御・操作、さらにはトポロジカル量子計算デバイスの集積化技術の創出につながるものである。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、主に昨年度実施した量子ポイントコンタクトを用いた電気抵抗測定の結果をまとめ、さらに、走査プローブ核磁気共鳴にも応用可能な抵抗検出電子スピン共鳴技術の開発に取り組んだ。
量子ポイントコンタクトを利用した電気抵抗測定結果を詳細に分析・議論したところ、複数の量子ホールエッジチャンネルの混成が生じていることが分かった。この成果は、量子ホールエッジチャンネルを用いた量子干渉計や量子回路のデザインに重要な情報を提供する。また、量子ポイントコンタクト中央に配置した固定ゲートエッジチャンネルを操作した本実験結果は、本研究課題のモバイルナノゲートによるエッジチャンネル操作に貴重な指標を与える。この成果は、英文学術誌「Communications physics」に「Synthesizing 2h/e2 resistance plateau at the first Landau level confined in a quantum point contact」という論文として発表した。
また、抵抗検出電子スピン共鳴については、マイクロ波を試料に照射し、試料の電気抵抗の磁場変化を測定する手法を採用した。この方法により、通常の電子スピン共鳴では困難な単層グラフェンの電子スピン共鳴の検出に成功した。この技術を用いることで、走査プローブ核磁気共鳴を行う際に必要な動的核スピン偏極をアシストすることが期待される。これらの成果は、日本物理学会の他いくつかの国際会議で発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

今年度、課題遂行のための主要装置である希釈冷凍機走査プローブ顕微鏡システムを移設したのに伴い、希釈冷凍機や走査プローブ顕微鏡に部分的な不具合が出たため装置の修理に長い時間を取られたため。

Strategy for Future Research Activity

本年度明らかにした量子ホールエッジチャンネルの混成の観測は、量子ポイントコンタクトの中央に設置した固定ゲートによりエッジチャンネルを操作することで行った。今後は、固定ゲートの代わりにモバイルナノゲートを使用して、分数量子ホールエッジチャンネルの操作を行い、エニオン粒子の生成・破壊、及びそれらの観測を目指す。
また、本年度成功したマイクロ波による電子スピン共鳴を応用しより多くの核スピン偏極を誘起し、より高感度な走査ゲート/核スピン共鳴マッピングを実現する。これにより、量子ポイントコンタクト近傍のエニオントンネル領域および分数量子ホール強磁性領域をマッピングし、それらの位置相関を明らかにする。
さらに、量子ポイントコンタクト近傍の静電ポテンシャル形状やエッジチャンネルの位置を数百ナノメートルの分解能で明らかにし、理論解析を進めることでエニオンの波動関数や分数統計性の空間依存性のに関する新たな知見を得る。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Book (3 results)

  • [Int'l Joint Research] BRIN(インドネシア)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Synthesizing 2h/e2 resistance plateau at the first Landau level confined in a quantum point contact2023

    • Author(s)
      Fauzi Mohammad Hamzah、Nakagawara Keita、Hashimoto Katsushi、Shibata Naokazu、Hirayama Yoshiro
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 6 Issue: 1 Pages: 365-365

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01491-8

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spatially Resolving Electron Spin Resonance of π-Radical in Single-molecule Magnet2023

    • Author(s)
      Ryo Kawaguchi, Katsushi Hashimoto, Toshiyuki Kakudate, Keiichi Katoh, Masahiro Yamashita, and Tadahiro Komeda
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 23 Issue: 1 Pages: 213-219

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c04049

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 単層グラフェンの抵抗検出電子スピン共鳴測定2023

    • Author(s)
      金田海里, 李松田, 境誠司, 安東秀, 橋本克之
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrically detected electron spin resonance applied to atomic-layer and single molecule systems2023

    • Author(s)
      K. Hashimoto, K. Kaneta, Y. Hiraga, S. Li, S. Sakai, R. Kawaguchi, and T. Komeda
    • Organizer
      16th Superconducting SFQ VLSI Workshop
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resistively-detected electron spin resonance measurement of single-layer graphene2023

    • Author(s)
      K. Kaneta, S. Li, S. Sakai, and K. Hashimoto
    • Organizer
      Symposium of CRC-GP-MSSP
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of the 3/2 state in conventional triple-gated quantum point contact2022

    • Author(s)
      Mohammad Hamzah Fauzi, Yasuaki Hayafuchi, Ryota Konno, Annisa Noorhidayati, Naokazu Shibata, Katsushi Hashimoto and YoshiroHirayama
    • Organizer
      International Conference on the physics of Semiconductors (ICPS)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Microscopic Properties of Quantum Hall Effects” in Quantum Hybrid Electronics and Materials (editors Y. Hirayama, K. Hirakawa, and H. Yamaguchi)2022

    • Author(s)
      Katsushi Hashimoto, Toru Tomimatsu, and Yoshiro Hirayama
    • Total Pages
      21
    • Publisher
      Springer-Nature
    • ISBN
      9789811912009
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] “Diversity of Hybrid Quantum Systems” in Quantum Hybrid Electronics and Materials (Editors Y. Hirayama, K. Hirakawa, and H. Yamaguchi)2022

    • Author(s)
      Yoshiro Hirayama
    • Total Pages
      14
    • Publisher
      Springer-Nature
    • ISBN
      9789811912009
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] “Hyperfine-Mediated Transport in a One-Dimensional Channel” in Quantum Hybrid Electronics and Materials (editors Y. Hirayama, K. Hirakawa, and H. Yamaguchi)2022

    • Author(s)
      Mohammad Hamzah Fauzi and Yoshiro Hirayama
    • Total Pages
      19
    • Publisher
      Springer-Nature
    • ISBN
      9789811912009
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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