2017 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic-scale terahertz nanoscience far beyond the diffraction limit
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17H01038
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / ナノギャップ電極 / 単一分子 / カーボンナノチューブ / ナノワイヤー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、単一量子ドット、ナノワイヤー、分子など極限ナノ量子構造を用いてトランジスタを形成し、その中における電子のダイナミクスを応用して、エレクトロニクスに新しい局面を拓こうとする研究が重要となりつつある。しかし、ナノ構造の物性解明と制御に非常に有効なテラヘルツ（THz）電磁波と極微細なナノ量子構造との相互作用は極めて弱い。本研究では、nmオーダーのギャップを有する極微金属電極をTHz電磁波に対するアンテナとして用いることにより、回折限界をはるかに超えてTHz電磁波を集光し、極微ナノ構造中の電子状態や伝導ダイナミクスを明らかにする。
特に本年度は、以下のような成果が挙がった。
１）単一金属内包フラーレン分子に金属電極を形成し、精密な伝導測定を行うことにより、電極と分子の配位に４つの準安定状態が存在することを明らかにするとともに、アンテナ型電極を形成して、テラヘルツ誘起光電流を測定することにより、電極上での分子の振動のみならず、内包された金属原子のラトリングの超高速スペクトルを測定することに成功した。
２）単一の金属型カーボンナノチューブに電極を形成し、ナノチューブをクーロン島とした単一電子トンネルを観測するとともに、テラヘルツ誘起光電流の測定により、0.3 meVという非常にシャープなレブレベル間遷移スペクトルを観測することに成功した。また、観測された遷移エネルギーは、1次元電子系で期待される多体効果（朝永―ラッティンジャー液体）による補正を受けていないように見え、今後継続して検討することとした。
３）Weyl半金属であるCd3As2ナノワイヤーの磁気抵抗を測定し、高磁場においてゼロ次元的な電子系に転移することを見いだした。
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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
本研究では、nmスケールの隙間を有するナノギャップ電極により、直流電気伝導測定から静的な特性を、またテラヘルツ電磁波を照射したときの電流変化分（光電流）から電子伝導のダイナミックな情報を得ると言う手法を駆使して、単一分子やナノチューブ・ナノワイヤーの電子状態を明らかにする研究を進めている。上記のように、本年度は金属内包フラーレンの特性、特に内包された原子の振動スペクトルの測定や、単一のカーボンナノチューブのテラヘルツ分光に成功した。これらは、いずれも予定通りの進捗とは言え、世界初の成果であり、大いに誇れるものである。また、Cd3As2に関しては研究が端緒についたばかりであるが、新規な電子材料であり、今後の発展が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、nmスケールの隙間を有するナノギャップ電極により、直流電気伝導測定から静的な特性を、またテラヘルツ電磁波を照射したときの電流変化分（光電流）から電子伝導のダイナミックな情報を得ると言う手法を駆使して、単一分子やナノチューブ・ナノワイヤーの電子状態を明らかにする研究を進めている。
特に、単一分子のテラヘルツ分光においては、金属内包フラーレンを測定することにより、長波長のテラヘルツ電磁波でも、単一原子の分光が可能であることを示せた。カゴ分子の中にある原子はラトリングと呼ばれる高速な運動をしているが、どのようなポテンシャルを感じながら振動しているのかなど、不明な点が多く、得られたスペクトルの解析を進めていく。
またカーボンナノチューブに関しては、ナノチューブ内の電子とテラヘルツ電磁波の相互作用において、電子間の多体効果が観測されるべきであるが、これまで知られているカーボンナノチューブのバンドパラメータ（フェルミ速度と呼ばれる）から期待される遷移エネルギーとは整合せず、検討を続ける必要がある。きちんとした実験を行うことにより、従来知られているバンドパラメータが正確ではない可能性があり、カーボンナノチューブの精密なバンド構造の決定につなげたい。さらに、テラヘルツ分光をピーポッド等のような複合ナノチューブ構造に展開する。
またWeyl半金属のようなトポロジカルな電子材料の研究も始まったばかりであり、テラヘルツ分光の実験を、他に先駆けて行っていく。
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Research Products
(32 results)
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[Presentation] Coupling a terahertz cavity to a carbon nanotube quantum dot2018
Author(s)
F. Valmorra, K. Yoshida, L. Contamin, T. Cubaynes, M. Dartiailh, M. Desjardins, S. Massabeau, K. Hirakawa, J. Mangeney, A. Cottet, and T. Kontos
Organizer
DPG Spring Meeting
Int'l Joint Research
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[Presentation] Coupling a terahertz cavity to a carbon nanotube quantum dot2018
Author(s)
F. Valmorra, K. Yoshida, L. Contamin, T. Cubaynes, M. Dartiailh, M. Desjardins, S. Massabeau, K. Hirakawa, J. Mangeney, A. Cottet, T. Kontos
Organizer
新学術領域「ハイブリッド量子科学」第六回領域会議
Invited
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