カーボンナノチューブのスピンメカニクス

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 16H01046
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 泉田 渉 東北大学, 理学研究科, 助教 (20372287)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000); Fiscal Year 2017: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2016: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: ナノチューブ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、カーボンナノチューブにおける電子の角運動量状態を明らかにすること、そして、電子格子結合を介して、電子系の角運動量が格子系に伝達する状況を理論的手法により調べることを目的としている。この研究を通じ、異種量子間の結合や散逸の微視的なメカニズムの探求といった基礎科学への寄与や、さらには高効率で駆動する回転子などの応用への道筋を与えることを目指している。
昨年度までの研究で、ナノチューブに閉じ込められた電子がどのような角運動量状態を取るのかを様々な螺旋度のナノチューブに対して調べた。その結果、多くのナノチューブでは谷状態が結合するため、2つの谷に由来する軌道の縮退が解かれることが明らかとなった。この場合、電子数が奇数の場合には不対電子の存在によりナノチューブにスピンが生じる。このような状況を、よく用いられる量子ドットモデルでモデル化した。さらに電子スピンとナノチューブ格子との結合に関し、角運動量の伝達する状況のモデル化を行った。それらのモデルをもとに、角運動量移行に伴う回転機構を用いた回転子として、スピンフィルタ構造を有し、かつ、軸周りに自由に運動できる自立チューブ構造を提案し、理論モデルを提唱した。この系の回転の様子を調べるため、マスター方程式の方法で系の時間発展を定式化し、数値計算プログラムを開発した。開発したプログラムにより数値計算を実行することで、電子スピンの反転に伴い回転子が回転する様子を示した。
さらに、昨年度までの研究でナノチューブの有効一次元格子模型を開発し、これによりナノチューブの低エネルギーの電子状態を定量的に再現することが可能となった。有効一次元格子模型をもとに、ナノチューブ-超伝導ハイブリッド構造の解析を行い、伝導に寄与する角運動量状態に着目し、超伝導ギャップ中に端状態が現れることを明らかとした。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] レーゲンスブルグ大学(ドイツ)
• [Journal Article] Majorana quasiparticles in semiconducting carbon nanotubes (2018)
  • Author(s): M. Marganska, L. Milz, W. Izumida, C. Strunk, M. Grifoni
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Issue: 7
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.075141
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topology and zero energy edge states in carbon nanotubes with superconducting pairing (2017)
  • Author(s): W. Izumida, L. Milz, M. Marganska, M. Grifoni
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.125414
  • NAID: 130007646335
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic and optical properties of single wall carbon nanotubes (2017)
  • Author(s): R. Saito, A. R. T. Nugraha, E. H. Hasdeo, N. T. Hung, W. Izumida
  • Journal Title: Topics in Current Chemistry Volume: 375 Issue: 1
  • DOI: 10.1007/s41061-016-0095-2
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Angular momentum and topology in semiconducting single-wall carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): W. Izumida, R. Okuyama, A. Yamakage, R. Saito
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Issue: 19 Pages: 195442-195442
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.195442
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] カーボンナノチューブの離散準位 (2016)
  • Author(s): 泉田 渉
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 51 Pages: 815-823
  • NAID: 40021038206
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Topological Phase Transition in Metallic Single-Wall Carbon Nanotube (2016)
  • Author(s): Rin Okuyama, Wataru Izumida, and Mikio Eto
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 1 Pages: 013702-013702
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.013702
  • NAID: 40021057626
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 直列二重量子ドットの電気伝導特性の温度効果 (2018)
  • Author(s): 近藤 皆斗, 枝松 弘樹, 小室 貴優, 泉田 渉, 天羽 真一, 羽田野 剛司
  • Organizer: 平成３０年東北地区若手研究者研究発表会「音・光・電波・エネルギー・システムとその応用」
• [Presentation] Majorana bound states in semiconducting carbon nanotubes - Part I (numerics) (2018)
  • Author(s): Magdalena Marganska, Lars Milz, Wataru Izumida, Christoph Strunk, Milena Grifoni
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Majorana bound states in semiconducting carbon nanotubes - Part II (analytics) (2018)
  • Author(s): Lars Milz, Magdalena Marganska, Wataru Izumida, Christoph Strunk, Milena Grifoni
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] トポロジーによるカーボンナノチューブの分類 (2018)
  • Author(s): 奥山 倫, 泉田 渉, 江藤 幹雄
  • Organizer: 日本物理学会2018年年次大会
• [Presentation] 超伝導相関を有するカーボンナノチューブのゼロエネルギー状態とトポロジー (2018)
  • Author(s): 泉田 渉, Lars Milz, Magdalena Marganska, Milena Grifoni
  • Organizer: 日本物理学会2018年年次大会
• [Presentation] Single-wall carbon nanotube as topological insulator: Phase transition and bulk-edge correspondence (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: International Conference on Topological Materials Science 2017 (TopoMat2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological invariant and phase transition in single-wall carbon nanotube (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: Majorana States in Condensed Matter: Towards Topological Quantum Computation (MAJONEXT2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological invariants in carbon nanotubes with superconducting pairing (2017)
  • Author(s): W. Izumida, Magdalena Marganska, Lars Milz, Milena Grifoni
  • Organizer: Boundary Effects and Correlations in One-Dimensional Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological phase transition and edge states in metallic single-wall carbon nanotube (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: Boundary Effects and Correlations in One-Dimensional Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topology in single-wall carbon nanotube of zigzag and armchair type (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties of Single-Wall Carbon Nanotube as a Topological Insulator (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: Mesoscopic Transport and Quantum Coherence 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノチューブにおけるトポロジカル相転移II (2017)
  • Author(s): 奥山 倫, 泉田 渉, 江藤幹雄
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Topology of zero energy edge states in carbon nanotubes with proximity induced superconductivity (2017)
  • Author(s): W. Izumida, M. Marganska, L. Milz and M. Grifoni
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum System 2017 (HQS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological properties in single-wall carbon nanotube: effective one-dimensional lattice model approach (2017)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum System 2017 (HQS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 縦型2重量子ドットにおけるスピンブロッケードの温度効果 (2017)
  • Author(s): 近藤 皆斗, 枝松 弘樹, 小室 貴優, 泉田 渉, 天羽 真一, 羽田野 剛司
  • Organizer: 第６０回日本大学工学部学術研究報告会
• [Presentation] Topological phase transition in metallic single-wall carbon nanotube induced by magnetic field (2017)
  • Author(s): Rin Okuyama, Wataru Izumida, Mikio Eto
  • Organizer: APS March meeting
  • Place of Presentation: New Orleans, LA, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Edge states and topology in finite-length single-wall carbon nanotubes (2017)
  • Author(s): Wataru Izumida, Rin Okuyama, Ai Yamakage, Mikio Eto, Riichiro Saito
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Place of Presentation: Technische Universitaet Dresden, Dresden, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological invariants in carbon nanotubes with superconducting pairing (2017)
  • Author(s): Lars Milz, Magdalena Marganska, Wataru Izumida, Milena Grifoni
  • Organizer: DPG Spring Meeting
  • Place of Presentation: Technische Universitaet Dresden, Dresden, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノチューブにおけるトポロジカル相転移 (2017)
  • Author(s): 奥山 倫, 泉田 渉, 江藤幹雄
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（豊中キャンパス）（大阪府・豊中市）
• [Presentation] Valley coupling and edge modes in finite-length single-wall carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): Wataru Izumida, Rin Okuyama, Ai Yamakage, Riichiro Saito
  • Organizer: 22nd International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics
  • Place of Presentation: Jozankei View Hotel（北海道・札幌市）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrete energy levels and topology in finite-length carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): Wataru Izumida
  • Organizer: German-Japanese Meeting on the Science of Hybrid Quantum Systems
  • Place of Presentation: dbb Forum, Berlin, Germany
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Angular momenta of two valleys and valley coupling in finite-length single-wall carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): Wataru Izumida, Rin Okuyama, Ai Yamakage, Riichiro Saito
  • Organizer: Frontiers in Quantum Materials and Devices Workshop
  • Place of Presentation: RIEKN（埼玉県・和光市）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Angular momentum and topology in finite-length single-wall carbon nanotubes (2016)
  • Author(s): Wataru Izumida, Rin Okuyama, Ai Yamakage, Riichiro Saito
  • Organizer: The Seventeenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes
  • Place of Presentation: University of Vienna, Austria
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective one-dimensional lattice model for single-wall carbon nanotubes with spin-orbit interaction and curvature effects (2016)
  • Author(s): R. Okuyama, W. Izumida, M. Eto
  • Organizer: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center（兵庫県・神戸市）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノチューブの離散準位と谷状態の角運動量 (2016)
  • Author(s): 泉田 渉, 奥山 倫, 山影 相, 齋藤 理一郎
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（角間キャンパス）（石川県・金沢市）
• [Remarks]
  • URL: http://flex.phys.tohoku.ac.jp/~izumida/
• [Remarks]
  • URL: http://flex.phys.tohoku.ac.jp/~izumida/index.html
• [Funded Workshop] Boundary effects and correlations in one-dimensional systems (2017)