量子ホール系カイラルエッジ状態の空間分解分光研究

• Project Area: Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
• Project/Area Number: 25103704
• 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: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 野村 晋太郎 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90271527)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2014: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2013: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 半導体 / 二次元電子系 / 量子ホール効果 / カイラルエッジ状態 / 空間分解分光測定

Outline of Annual Research Achievements

従来の走査型近接場光学顕微鏡では、通常の光ファイバーを使うことによる円偏光の乱れ、近接場プローブのわずかな引っぱり歪みやねじれによって、円偏光が不規則な向きに乱されていた。そこで、本研究では集束イオンビームを用いて先端部と開口部の形状が軸対称に近い近接場プローブを開発した。さらにベレク補償子を用いて外部から光の偏光状態を補正する独自の手法を開発し、近接場プローブから出射される光の偏光状態を制御した。これらの手法により円偏光を近接場プローブから出射することに成功した。
この円偏光走査型近接場光学顕微鏡を希釈冷凍機中に設置し、極低温・強磁場下において、GaAs/AlGaAs高移動度ヘテロ接合構造試料を局所光励起し、試料の電極間に生じるホール電圧を空間マッピングして調べた。その結果、ナノメートルスケールの領域へスピン偏極した電子を光学的に注入にすることが可能であることを実証した。さらに強磁場中でヘテロ接合構造試料中に生じる量子ホールカイラル端状態にスピン分裂した非圧縮性液体領域があることを初めて実空間で観察することに成功した。この空間マッピング測定によって得られた試料の電極間に生じるホール電圧の符号と大きさの位置依存性は局所スピン密度汎関数法に基づく計算によって説明され、最も内側の非圧縮性液体状態のスピン状態が大きな役割を果たしていることが示された。
本研究で得られた成果は、例えば、消費電力を極限まで低減させるとされるスピントロニクス素子、トポロジカル素子の開発や、光学活性をもつ生体分子の研究の進展に貢献するものと期待される。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Circularly polarized near-field optical mapping of spin-resolved quantum Hall chiral edge states (2015)
  • Author(s): Syuhei Mamyouda, Hironori Ito, Yusuke Shibata, Satoshi Kashiwaya, Masumi Yamaguchi, Tatsushi Akazaki, Hiroyuki Tamura, Youiti Ootuka, and Shintaro Nomura
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 15 Issue: 4 Pages: 2417-2421
  • DOI: 10.1021/nl504767w
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of nano and micro SQUIDs based on Al tunnel junctions (2014)
  • Author(s): R. Ishiguro, E. Watanabe, D. Sakuma, T. Shinozaki, S. Tsuchiya, Y. Nago, H. Osato, D. Tsuya, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, S. Nomura, H. Takayanagi, Y. Maeno
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 568 Issue: 2 Pages: 022019-022019
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/2/022019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetization of a Mesoscopic Superconducting Sr2RuO4 Plateon Micro-dc-SQUIDs (2014)
  • Author(s): S. Tsuchiya, M. Matsuno, R. Ishiguro, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, S. Nomura, H. Takayanag, Y. Maeno
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 83 Issue: 9 Pages: 0947151-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.094715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoluminescence fine structures in the fractional quantum Hall effect regime (2014)
  • Author(s): S. Nomura, M. Yamaguchi, H. Tamura, T. Akazaki, Y. Hirayama, M. Korkusinski, and P. Hawrylak
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 89 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.115317
  • NAID: 120007136759
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Circularly Polarized Near-field Scanning Optical Microscope for Investigations of Edge States of a Two-dimensional Electron Gas (2015)
  • Author(s): S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: The Asia-Pacific Conference on Near-field Optics
  • Place of Presentation: Hakodate Research Center for Fisheries and Oceans
  • Year and Date: 2015-07-07 – 2015-07-10
• [Presentation] 走査型Nb-SQUID顕微鏡を用いた4He無冷媒冷凍機中の局所磁束観察II (2015)
  • Author(s): 柴田祐輔,大嶋勇輝,柏谷裕美,石黒亮輔,柏谷聡,高柳英明,野村晋太郎
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Imaging of spin-split incompressible strips in the quantum Hall chiral edge state (2014)
  • Author(s): S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: The International Conference on Topological Quantum Phenomena
  • Place of Presentation: Kyoto University Clock Tower Centennial Hall
  • Year and Date: 2014-12-17 – 2014-12-20
• [Presentation] 極低温円偏光走査型近接場光学顕微鏡によるスピン分裂非圧縮性液体の観測 (2014)
  • Author(s): 野村晋太郎
  • Organizer: 平成２６年度東北大プロジェクト研究会
  • Place of Presentation: ベルサンピアみやぎ泉
  • Year and Date: 2014-11-13 – 2014-11-14
• [Presentation] Real-space Mapping of Spin-resolved Quantum Hall Chiral Edge States by Near-field Scanning Optical Microscopy (2014)
  • Author(s): S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, T. Ohira, L. Yoshikawa, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: The 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center
  • Year and Date: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [Presentation] Development of Scanning dc-SQUID system for local magnetic imaging (2014)
  • Author(s): Y. Shibata, Y. Osima, H. Kashiwaya, R. Ishiguro, S. Kashiwaya, H. Takayanagi and S. Nomura
  • Organizer: The 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center
  • Year and Date: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [Presentation] 走査型Nb-SQUID顕微鏡を用いた4He無冷媒冷凍機中の局所磁束観察 (2014)
  • Author(s): 柴田祐輔,大嶋勇輝,柏谷裕美,石黒亮輔,柏谷聡,高柳英明,野村晋太郎
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季講演会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Development of nano and micro SQUIDs based on Al tunnel junctions (2014)
  • Author(s): Ryosuke Ishiguro, Eiichiro Watanabe, Daisuke Sakuma, Shogo Tsuchiya, Yusuke Nago, Hirotaka Osato, Daiju Tsuya, Hiromi Kashiwaya, Satoshi Kashiwaya, Shintaro Nomura, Hideaki Takayanagi, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • Place of Presentation: Palais Rouge, Buenos Aires, Argentina
  • Year and Date: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [Presentation] MoS2薄膜における第二次高調波発生強度の層数依存性 (2014)
  • Author(s): 塚本知九馬，野村晋太郎
  • Organizer: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学、相模原市
• [Presentation] 局所磁気観察のための走査型Nb微小SQUID顕微鏡の開発 (2014)
  • Author(s): 柴田祐輔，柏谷裕美，石黒亮輔，柏谷聡，高柳英明，野村晋太郎
  • Organizer: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学、相模原市
• [Presentation] Sr2RuO4に流れるカイラルエッジ電流検出に向けたMicro-SQUIDの開発 (2014)
  • Author(s): 土屋翔吾，篠崎智也，永合祐輔，石黒亮輔，柏谷聡，柏谷裕美，野村晋太郎，前野悦輝，高柳英明
  • Organizer: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学、相模原市
• [Presentation] 近接場光学顕微鏡を用いたスピン分裂量子ホール端状態の観測II (2014)
  • Author(s): 間明田周平、柴田祐輔、伊藤宙陛、大平智也、吉川ルノ、柏谷聡、山口真澄、田村浩之、赤崎達志、大塚洋一、野村晋太郎
  • Organizer: 日本物理学会第６９回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学、平塚市
• [Presentation] maging of spin-resolved quantum Hall edge states by near-field scanning optical microscopy (2013)
  • Author(s): H. Ito, S. Mamyouda, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Nomura, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: The 20th international conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: Wroclow, Poland
• [Presentation] Mapping of spin-resolved quantum Hall chiral edge channels (2013)
  • Author(s): S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology
  • Place of Presentation: Atsugi, Japan
• [Presentation] Near-field scanning optical microscope imaging of spin-resolved quantum Hall chiral edge states (2013)
  • Author(s): S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology
  • Place of Presentation: Kauai, USA
• [Presentation] Near-field scanning optical microscopy for investigation of quantum Hall chiral edge state (2013)
  • Author(s): S. Mamyouda, T. Ohira, L. Yoshikawa, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Nomura, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • Organizer: 2nd DYCE-ASIA Workshop
  • Place of Presentation: Kashiwa, Japan
• [Presentation] 量子ホール系カイラルエッッジ状態の空間分解分光研究 (2013)
  • Author(s): 野村晋太郎
  • Organizer: 第11回 集中連携研究会「時間反転対称性を破る超伝導体の新奇界面現象」
  • Place of Presentation: 京都大学、京都市
• [Presentation] アルミニウムトンネル型単一微小ジョセフソン接合の特異な輸送特性研究」 (2013)
  • Author(s): 佐久間大輔，田野佑典，石黒亮輔，柏谷聡，野村晋太郎，高柳英明
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 徳島大学、徳島市
• [Presentation] 近接場光学顕微鏡を用いたスピン分裂量子ホール端状態の観測 (2013)
  • Author(s): 間明田周平，柴田祐輔，伊藤宙陛，柏谷聡，山口真澄，田村浩之，赤崎達志，大塚洋一，野村晋太郎
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 徳島大学、徳島市
• [Presentation] スピン分裂した量子ホール系カイラルエッジ状態の光学的検出 (2013)
  • Author(s): 野村晋太郎
  • Organizer: 新学術領域研究「トポロジカル量子現象」第４回 領域研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学、名古屋市
• [Presentation] Sr2RuO4中の半整数量子渦検出に向けたマイクロ SQUIDの開発 (2013)
  • Author(s): 永合祐輔、土屋翔吾、篠崎智也、石黒亮輔、柏谷裕美、柏谷聡、野村晋太郎、高柳英明、前野悦輝
  • Organizer: 新学術領域研究「トポロジカル量子現象」第４回 領域研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学、名古屋市
• [Remarks] Nomura Laboratory, University of Tsukuba
  • URL: http://www.px.tsukuba.ac.jp/~snomura/
• [Remarks] 世界初、円偏光近接場光学顕微鏡を用いてナノメートルスケールの領域へのスピン注入に成功
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201503091400.html
• [Remarks] Nomura Laboratory, University of Tsukuba
  • URL: http://www.px.tsukuba.ac.jp/home/ecm/snomura/lab/