2017 Fiscal Year Annual Research Report
エニオン統計性を有する分数電荷準粒子の2粒子衝突実験
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16H06009
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
橋坂 昌幸 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (80550649)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | メゾスコピック系 / 半導体物性 / 物性実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題「エニオン統計性を有する分数電荷準粒子の2粒子衝突実験」の目的は、分数量子ホール系の素励起である分数電荷準粒子のエニオン統計性を実験的に検証することである。強磁場中の半導体２次元電子系において分数電荷準粒子の衝突実験を実現することで、この目的の達成を目指す。
本研究は、電流相互相関測定法、および局所分数量子ホール系作製法という２つの技術を組み合わせて分数電荷準粒子の衝突実験を行う計画である。平成２９年度は、第一にスピン偏極した局所分数量子ホール系に対する非平衡電流注入について、実験データの解析を行った。スピン無偏極の占有率2整数量子ホール系中において、ゲート電圧によって局所的に電子密度を減少させ、占有率1の局所整数量子ホール系を形成した。この系に非平衡バイアス電圧を印加すると、局所系における磁気秩序が崩壊するとともに、電子相関効果の発現によるショット雑音抑制、すなわち分数ショットノイズの発生を確かめた。分数電荷準粒子の衝突実験には多端子量子ホール素子への非平衡バイアス印加が不可欠であるため、本課題の目的達成にはこの現象のメカニズム解明が必須と考えている。実験結果が非平衡局所系における分数電荷準粒子の存在を示すものかどうか、未だ結論には至っていないが、引き続き解析を進めていく予定である。
第二に、量子ホールエッジチャネルにおける電荷ダイナミクスについて、これまでに得られた成果を整理し、文献にまとめた。本課題で想定する衝突実験において、エッジチャネルは分数電荷準粒子に対する配線としての役割を担うため、そこでの電荷ダイナミクスを理解することは非常に重要である。これまでの取り組みで、本課題で必要とするエッジチャネルに関する知見はおおむね完成されたと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度は当初の計画以上の進展が得られたのに対し、平成２９年度は人事異動に伴う研究環境の変化に対応するため、計画に若干の遅れが生じた。全体としては、当初の計画通りの進展度合いとなっている。
本課題「分数電荷準粒子の衝突実験」の2つの要素技術について、大きな進展が得られている。一点目は量子ホールエッジチャネルにおける電荷ダイナミクスの理解である。これまでの取り組みにより、エッジチャネル上の電荷ダイナミクスを朝永・ラッティンジャー液体モデルを用いて記述する手法が確立され、局所量子ホール系への配線方針が固まったといえる。二点目は局所量子ホール素子の設計、作製手法の進歩である。本課題で測定する素子は、高品質の半導体ウェハに対し高度な微細加工を施すことによって作製される。非アーベル統計を示すと期待される占有率5/2の分数量子ホール準粒子を観測するための半導体ウェハ入手に目途が立ち、またその微細加工方法についても検討を進めたことにより、当初の計画であったe/3準粒子だけでなく、非アーベル準粒子に対しても衝突実験の実現可能性が大きく広がった。
一方で衝突実験を評価するための測定系については、異動先の研究環境で新しく立ち上げ直しが必要となったため、遅れが生じた。希釈冷凍機や超伝導マグネットの立ち上げを行い、極低温環境と高磁場環境については準備が整いつつある。現在はこの環境に電流相関評価用の測定系を実装中である。新規システム立ち上げとなるため、以前の測定系をアップロードして、より高感度・高速の測定系としたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の推進には、高感度な電流相互相関測定手法が必要である。昨年度に引き続き、新しい研究環境での測定系の立ち上げに最優先に取り組んで、遅くとも平成30年度前半には以前と同等以上の性能を持つ測定システムを完成させる。
測定系の立ち上げ直し以外で残されている課題は、（１）多端子局所量子ホール素子の作製、（２）局所分数量子ホール系の非平衡バイアスに対する応答メカニズムの理解、（３）非アーベルエニオンの衝突実験に向けた占有率5/2分数量子ホール系の評価、の３つである。これまでに（１）については大体の方針が得られているため、早期に試料作製を開始する。特にe/3準粒子の衝突実験用試料については測定系の立ち上げ終了までに完了させ、測定系準備が完了し次第、評価を開始する。（２）については、まずはこれまでの実験結果の解析を進める。その後、構造の異なる局所系試料について追加実験を行い、非平衡バイアスに対する量子ホール系の応答を明らかにしていく。（３）については、引き続き高品位の半導体ウェハの加工技術のさらなる向上に努めるとともに、ウェハ自体の評価をすすめて、非アーベルエニオン衝突実験の実現可能性を探っていく。以上の取り組みを平行して進め、平成３０年度中にはe/3分数電荷準粒子の衝突実験について第一報を報告することを目指す。平成３１年度の本研究終了までに非アーベルエニオンの統計性検証実験の提案まで達成したいと考えている。
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