電流ゆらぎ相関測定による固体素子中の量子相関の検出

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10J02344
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 知田 健作 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Keywords: 二次元電子系 / 量子細線 / 動的核スピン偏極 / 電流ゆらぎ測定 / 抵抗検出核磁気共鳴測定 / 整数量子ホール効果

Research Abstract

GaAs/AlGaAs半導体ヘテロ界面に生成する2次元電子系に静電的に形成された幅数百nmで長さ1μmの量子細線にて動的核スピン偏極を生成し、電流ゆらぎ測定および抵抗検出核磁気共鳴測定という二つの測定手法から動的核スピン偏極の生成に伴って量子細線を伝導する電子のスピン分極率が10～40%低下することを示した。本研究を通して動的核スピン偏極が量子細線に局所的であることが示され、量子細線中における動的核スピン偏極のメカニズムが明らかになった。本成果は量子細線にて局所的簡便に核スピン制御が可能であることを示しており、核スピンを用いた固体量子情報素子の実現の礎となるものである。
その他、電流ゆらぎ測定を通して「(1)量子ホール効果ブレークダウンの前駆現象の観測」や「(2)量子干渉計におけるゆらぎの定理の検証」、「(3)トンネル磁気抵抗素子におけるスピン依存伝導に起因する電流ゆらぎの減少の観測」を行った。これらの成果は通常の電気伝導度測定からは得ることができない。(1)は量子ホール効果を用いた抵抗標準の精度に関する新しい知見を与えるものであり、さらなる詳細な実験を行うことで量子ホール抵抗の制度が劣化するメカニズムが明らかにできるものである。(2)は量子系におけるゆらぎの定理の検証を行った世界で初めての実験であり、半導体人工量子系における量子統計物理学という新しい研究分野を拓くものである。(3)は金属系においても電流ゆらぎ測定を通して量子的な電子伝導を観測したものであり、電流ゆらぎ測定の普遍性および有用性を実証するものである。これらの実験成果は電流ゆらぎ測定が非平衡系における電子状態を検出するツールとして非常に優れたものであることを示しており、本研究の課題である電流ゆらぎ相関の測定を通した量子相関の検出への基礎となるものである。

Research Products

• [Journal Article] Non-equilibrium transport in a quantum wire in the quantum Hall regime (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamura, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 334 Pages: 334-337
  • DOI: 10.1088/1742-6596/334/1/012031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of the Kondo Effect in a Quantum Dot Probed by the Shot Noise (2011)
  • Author(s): Yoshiaki Yamauchi, Koji Sekiguchi, Kensaku Chida, Tomonori Arakawa, Shuji Nakamura, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Tatsuya Fujii, Rui Sakano
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 106 Pages: 176,601
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.176601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluctuation theorem and microreversibility in a quantum coherent conductor (2011)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensslin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 83 Pages: 155,413
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.83.155431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dispersive lineshape of the resistively detected NMR in a quantum wire in the quantum Hall regime (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamnura, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Journal Title: AIP Conference Proceeding Series Volume: in press(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Full Shot Noise in CoFeB/MgO/CoFeB-based Magnetic Tunneling Junctions (2010)
  • Author(s): Koji Sekiguchi, Tomonori Arakawa, Yoshiaki Yamauchi, Kensaku Chida, Masaki Yamada, Hiromasa Takahashi, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 96 Pages: 252504
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 近藤状態にある量子ドットにおける非平衡電流揺らぎ (2011)
  • Author(s): 山内祥晃、関口康爾、知田健作、荒川智紀、中村秀司、小林研介、小野輝男、藤井達也、阪野塁
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] トンネル磁気抵抗素子におけるショット雑音及び1/f雑音測定II (2011)
  • Author(s): 荒川智紀, 関口康爾, 中村秀司, 知田健作, 酉原禎考, 千葉大地, 小林研介, 小野輝男, 福島章雄, 湯浅新治
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] 量子ホール状態の崩壊に伴う電流ゆらぎの観測 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] InGaAs二次元電子系上に作製した量子ポイントコンタクトにおける電流雑音測定 (2011)
  • Author(s): 中村秀司、西原禎孝、知田健作、荒川智紀、関口康爾、千葉大地、小林研介、小野輝男、好田誠、新田淳作
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] InGaAs二次元電子系に作製した量子ポイントコンタクトにおける非平衡電流雑音測定 (2011)
  • Author(s): 西原禎孝、中村秀司、知田健作、荒川智紀、小林研介、小野輝男、好田誠、新田淳作
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-23
• [Presentation] 電流ゆらぎ測定および抵抗検出核磁気共鳴測定による動的核スピン偏極に伴う電子スピン減極の観測 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 高梨特定AO4班研究発表会
  • Place of Presentation: 山形
  • Year and Date: 2011-02-23
• [Presentation] 半導体量子細線における動的核スピン偏極とそれに伴う電子スピン減極 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 特定領域研究「スピン流の創出と制御」第3回若手研究交流会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2011-02-16
• [Presentation] Electron depolarization in a non-equilibrium quantum wire in the quantum Hall regime proved by the noise and resistive-detection NMR messurement (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamwa, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT2011)
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2011-01-14
• [Presentation] Nonequilibrium Fluctuation Relations in a Quantum Coherent Conductor (2011)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensslin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transportand Technology (ISNTT2011)
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2011-01-12
• [Presentation] 量子ホール効果ブレークダウン領域における電流ゆらぎ測定 (2010)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] トンネル磁気抵抗素子におけるショット雑音及び1/f雑音測定 (2010)
  • Author(s): 荒川智紀, 関口康爾, 中村秀司, 知田健作, 西原禎考, 千葉大地, 小林研介, 小野輝男, 福島章雄, 湯浅新治
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] 電子系におけるマッハツェンダー干渉計の作製と評価 (2010)
  • Author(s): 中村秀司、西原禎考、知田健作、荒川智紀、千葉大地、関口康爾、小野輝男、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-23
• [Presentation] 量子細線における動的核スピン偏極の局所的生成とその検出 (2010)
  • Author(s): 知田健作、橋坂昌幸、山内祥晃、中村秀司、荒川友紀、町田友樹、小林研介、小野輝男
  • Organizer: FIRST Quantum Information Processing Project Summer School 2010
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2010-08-19
• [Presentation] Shot noise measurement in a non-equilibrium quantum wire in the integer quantum Hall regime (2010)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamwa, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: The 19th International Conference on the application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics and Nanotechnology (HMF-19)
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2010-08-03
• [Presentation] Shot noise in a quantum wire associated with dynamic nuclear polarization (2010)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamtua, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-29
• [Presentation] Evolution of the Kondo effect in a quantum dot probed by the shot noise (2010)
  • Author(s): Y.Yamauchi, K.Sekiguchi, K.Chida, T.Arakawa, S.Nakamura, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-29
• [Presentation] Nonequilibrium fluctuation relations in a quantum coherent conductor (2010)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensalin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-27
• [Presentation] Shot Noise in MgO-based Magnetic Tunnel Junctions (2010)
  • Author(s): T.Arakawa, K.Sekiguchi, Y.Yamauchi, K.Chida, M.Yamada, H.Takahashi, D.Chiba, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISUMMER2010)
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-07-13