2020 Fiscal Year Annual Research Report
Complex phonon engineering including electronics and magnons
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19H00744
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塩見 淳一郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40451786)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大西 正人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (30782560)
内田 健一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (50633541)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | フォノン / フォノンエンジニアリング / 電子 / マグノン / マルチスケール |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、フォノン、電子/マグノンの複合輸送系のマルチスケールシミュレーション技術の開発を進めた。ナノ構造やデバイスにおける電子/マグノンの輸送と緩和およびそれに伴う発熱から、熱散逸までを複合的かつ統一的に取り扱う、フォノンおよび電子/マグノンの連立ボルツマン輸送方程式をモンテカルロ法により解くシミュレータ（ベータ版）の作成が概ね完了した。なお、電子、フォノン、およびマグノンの時空間スケールのミスマッチについては、準粒子のエネルギーのごとにシミュレーションの時間ステップを変えるプラクティカルな手法も導入した。また、シミュレータへの入力となる緩和時間については、前年度から取り組んでいる摂動論にもとづくフェルミの黄金律や動力学のトラジェクトリを固有モードに投影する全モード分解を念頭においた手法に加えて、それらの情報をもとに実効的なモデルを作ることで、計算の高速化をはかり、実際の構造やデバイスの計算を行う見通しを立てた。
並行して、前年度に準備をはじめていたフォノン・電子の結合現象のポンプ・プローブ計測の実験手法の開発を本格化した。本手法は、従来手法である時間領域サーモリフレクタンス法を発展させたものである。基本的な原理は、ポンプ光（フェムト秒パルスレーザ）によって試料を励起し、それへの応答を計測するが、従来手法で行ってきた表面に堆積した（金属）測温層の反射率の温度依存性（サーモリフレクタンス）に加えて、磁気カー効果の回転角の温度依存性を利用して温度を計測することで、計測感度を向上させる。本年度は、装置のセッティングを完成させるところまでを行った。また、熱的な応答に限らず電気的な応答を計測することで、電子とフォノンの両方が介在するプロセスを計測するため、その方法論が成立することを理論的に実証した。加えて、必要となるセンサー部分のマイクロ加工に着手した。
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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
計画していた、フォノン、電子/マグノンの複合輸送系のマルチスケール・モンテカルロシミュレーションの開発が概ね完了した。また、フォノンと電子の結合現象のポンプ・プローブ計測の装置のセッティングが完了し、実際の計測に向けた準備も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に開発した、フォノン、電子/マグノンの複合輸送系のマルチスケール・モンテカルロ法シミュレータを実際の系に応用する。すでに簡単な半導体デバイス系に適用してテストはしており、電子デバイスの熱マネージメントにある程度役立つレベルには達しているが、学術的にインパクトの高い問題への適用をこのタイミングでしっかりと検討する。その１つとして、量子コンピュータの極低温動作の際の熱揺らぎ（ノイズ）の影響を考えるには、電子とフォノンの結合シミュレーションが有用であり、近年の量子コンピュータの重要性を考えると、本シミュレータの応用先として妥当であると考える。そのため、当初計画していたパワー半導体に加えて、極低温での半導体ヘテロ構造における自己発熱の影響を解析する。
並行して、前年度にセッティングを終えたフォノン・電子の結合現象のポンプ・プローブ計測の実験装置を完成させて、計測を実施・実証する。いくつかの計測のバリエーションを用いてフォノンと電子が介在する現象についてポンプ・プローブ計測を行うが、その中でコンセプトが分かり易いものとして、ゼーベック係数のポンプ・プローブ計測を行う。半導体試料表面をポンプレーザで加熱し、電圧出力を電気的にプローブする。このような計測が成立し得ることは前年度に理論的に確認しており、マイクロ加工で試料に電極を作りこみ、計測を実践する。これによって、フォノンの周波数に依存したゼーベック係数の実験的な評価を世界に先駆けて実現する。その上で、ナノ構造など、非平衡性を強さとの相関を明らかにし、フォノンと他の準粒子の非平衡混合輸送の学理を深める。
上記の精度を裏付ける電子とフォノンの相互作用のより直接的な観察については、共同研究者と実施している非弾性X線散乱を通じて、特定のフォノンモードに対応するスペクトルピークの線幅のドープ量に依存性から、電子・フォノン散乱頻度を評価する。
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Research Products
(14 results)
