2018 Fiscal Year Research-status Report
マルチスケールな電子状態制御による量子ホール効果相転移の研究
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18K04874
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
冨松 透 東北大学, 理学研究科, 助教 (60712396)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 二次元電子系輸送現象 / 量子ホール効果 / 走査ゲート顕微法 / 局所電子散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、二次元電子系(2DEG)の局所的な電子散乱がエッジ伝導を示す量子ホール状態からバルク伝導への移行にどのように影響するかを調べるために、不純物ポテンシャル揺らぎの影響で移動度の異なるGaAs量子井戸構造ウェハを使用し、2DEGの極低温電気伝導特性を評価した。異なる磁場、電子密度でマクロ伝導特性の系統的なデータ収集を行い、次年度の局所電界を使った伝導測定のための重要な知見を得ることができた。
高移動度試料では、電流増大によって生じる量子ホール状態からバルク伝導状態への変化は、磁場に大きく依存せずなだらかに生じることが分かった。この現象について微視的な観点から議論するため、昨年度までに行ったSGMによる量子ホール効果イメージングの研究を基に、本年度はSGMパターンの解析と、量子ホール効果の伝導/絶縁相形成の理論解析を進めた。その結果2DEG端部の絶縁相ライン(非圧縮性ストリップ)で生じる電子トンネリングの増大と、バルク中の伝導相間の電子ホッピングの増大が、高移動度試料のなだらかな抵抗変化に影響することが明らかになった。
一方、低移動度試料の抵抗測定では、エッジ伝導状態が臨界電流で一気に崩壊する劇的な抵抗変化が観測された。更に、2DEGが存在するメサ領域は対称な構造であるにも関わらず、電流方向を反転すると抵抗変化挙動や臨界電流が全く異なる現象が生じた。このような現象は、高移動度試料ではほとんど見られなかったことから、2DEG内の不純物ポテンシャルの不均一揺らぎが、特にエッジ伝導状態からバルク伝導状態への相転移に敏感に反映される可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
標準のホールバー構造のサンプルで"不純物ポテンシャル揺らぎと伝導特性"の関係を調べる実験は、おおむね順調に進んでいる。一方、本年度は、アンチドットを導入したサンプルの伝導特性評価も行う予定であったが、伝導特性が局所ポテンシャルの位置・構造に敏感であったため、当初より多くの構造パターンの特性チェックの必要が生じ、エッジ伝導―バルク伝導転移の研究に最適なデザインの条件だしに時間を割く必要が生じた。今後、サンプル構造を工夫し効率的に多くの条件を調べるための体制を整える。
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| Strategy for Future Research Activity |
最適サンプル構造の調査を続行するとともに、得られたサンプルを使用し、SGMによる局所電界印加により、2DEG伝導状態操作の実験を行う。既存の2DEG輸送現象の理論研究を参考にして、2DEG端部近傍や、電流密度が高いポイントの電界操作によるマクロ抵抗の制御を検討する。現在、SGM装置のステージ駆動系に不具合があるが、これを解消するとともに、ヘテロダイン法や高調波成分検出法を活用してSGM抵抗信号の高感度化を図る。
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| Causes of Carryover |
当初、標準構造に加え、新構造のサンプルで実験するために新たに基板を購入する予定であったが、既存の標準構造サンプルでも伝導特性に個体差があり、条件出しのプロセスに注力する必要が生じ、基板を購入しなかったため。また、SGM用構成部品の故障の修理に時間を要したため、SGM測定が十分に行えず、測定時に使用予定だった液体ヘリウムや、導入予定だった低ノイズ測定用装置を購入・使用しなかったため。
次年度は、基板を購入し新構造パターンサンプルの作製・測定を進める。また、修理済みのSGM用構成部品の動作確認の実験と、本番SGM実験を高頻度で行うため、それに必要なSGM探針や液体ヘリウム利用料と測定装置の購入に予算をあてる予定である。実験で得られた研究成果を国際学会で発表する際の旅費にも使用する。
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