2020 Fiscal Year Annual Research Report
Nonequilibrium states of low-dimensional quasiparticles in a mesoscopic quantum Hall system
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19H05603
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齊藤 圭司 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90312983)
遊佐 剛 東北大学, 理学研究科, 教授 (40393813)
橋坂 昌幸 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (80550649)
秦 徳郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (30825005)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 低次元準粒子 / メゾスコピック / 量子ホール系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題「メゾスコピック量子ホール系の低次元準粒子制御と非平衡現象」では、強磁場中の半導体ヘテロ構造を用い、機能的量子素子の集積化であるメゾスコピック量子ホール系を形成し、一次元系準粒子（プラズモン・スピノン等）、二次元系準粒子（分数電荷・スカーミオン等）の非平衡現象を探求し、量子ホール熱機関やトポロジカル量子工学への応用指針を得ることを目標としている。具体的には、一次元系準粒子の非相反伝導を利用して、整数・分数量子ホール領域での朝永ラッティンジャー流体の伝導制御を行い、量子化熱伝導・量子ホール熱機関の実現を目指している。また、二次元系準粒子のブレーディングなどの制御技術の確立を念頭に、量子アンチドットによる少数準粒子の制御、超高速走査型偏光分光顕微鏡による準粒子ダイナミクス、準粒子のトンネル過程の解明を進めている。
今年度は、当初計画の研究について重要な成果を得るとともに、さらに発展的な研究にも着手して顕著な成果を得るに至っている。整数・分数量子ホール系での朝永ラッティンジャー流体に関しては、量子化された電荷モードの検証に成功し、エッジ状態の素励起の理解に繋がった。熱勾配によって駆動する電流ノイズ（ΔTノイズ）について、近藤効果におけるΔTノイズの特徴を理論的に解明した。情報伝搬の限界を記述するリープ・ロビンソン限界の一般論を構築し、電子が長距離的に相互作用する場合でも適用できる情報伝搬の性質を明らかにした。走査型ストロボスコープ法により、分数量子ホール状態の励起状態の伝搬を可視化することに成功した。分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射実験の解析により、準粒子トンネルのメカニズムを解明し、さらに、多重アンドレーエフ反射による境界エッジチャネル形成のメカニズムを明らかにした。基盤研究２年度目としては当初計画以上に進展しており、今後も発展的課題を含めて目標達成に向けて取り組む。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
交付申請書の計画に沿って研究を進め、顕著な成果を得るに至っている。
◆整数・分数量子ホールＹ接合における電荷分数化現象を、電荷波束の時間分解測定により解析した。ランダウ占有率2における並走チャネル、占有率2/3における対向チャネルのいずれにおいても、チャネル間のトンネリングが顕著な場合に、量子化された電荷モードを示すことを検証した。様々なエッジ状態の素励起の理解に繋がる結果である。◆微小系における電子輸送および熱輸送の理論研究を行った。熱勾配によって駆動する電流ノイズ（ΔTノイズ）について、微小系での顕著な量子効果である近藤効果におけるΔTノイズの特徴を明らかにした。また、長距離相互作用のある系の熱輸送現象の一般的な特徴に関する研究も行った。◆量子系での情報伝搬に関して、長距離相互作用の効果を研究した。リープ・ロビンソン情報限界と呼ばれる情報伝搬の現象は、量子ホール系を含む様々な系で重要である。有限な情報伝搬速度が現れる条件を、長距離相互作用系のパラメータを使って導出した。◆新たに開発した走査型ストロボスコープ法によって1/3分数量子ホール状態の励起状態がエッジを空間的に伝搬していく様子を可視化することに成功した。◆複数のチャネルで構成される量子アンチドットにおいて、各チャネルの電荷数を独立に制御できる複合ゲート構造を考案・試作し、極低温での輸送測定を行なった。◆分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射実験について解析を進め、多重アンドレーエフ反射による境界エッジチャネル形成のメカニズムを明らかにした。さらに、境界エッジチャネルを伝播する電荷中性モードについて、より精度の高い定量的な評価を行った。◆自家製HEMTを用いた低温電流電圧変換回路について評価を進め、市販のHEMTを用いた回路と比較して、周波数帯域の上限を約2倍に広げ、入力換算雑音を1/10に抑制することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を踏まえて、当初計画の実現を目指すとともに、発展的な内容（下記の[新展開]）も含めて研究を進める。
◆ホットエレクトロンを用いた一次元電子系の励起手法を確立し、TLL領域やbeyond TLL領域を含めて準粒子輸送や非熱的状態の空間発展ダイナミクスを明らかにする。◆量子ホールエッジの熱伝導と量子ドット熱機関を組み合わせた系により、効率の高い熱電機関の実証を目指す。量子ドット分光の精度向上を図り、量子化熱伝導度ステップの高精度測定も目指す。◆メゾスコピック輸送現象の典型として、近藤効果を伴う電流や熱流の研究を行う。特に量子測定の効果を調べ、散逸を制御する過程で現れる近藤効果について調べる。◆[新展開]量子ホール系での熱機関実現に向けた理論設計を行う。これまで明らかにした熱力学長の議論を、さらに遠い非平衡状態に拡張する。また広い意味での量子熱力学構造の研究として、計算処理に伴うランダウワー原理などの熱力学的性質を理論的に研究する。◆[新展開]異なる量子ホールエッジ状態間の分数電荷アンドレーエフ反射を積極的に活用して、独自の準粒子干渉デバイスの作製に取り組む。干渉パターンの測定と電流ゆらぎの同時測定により、分数電荷準粒子のエニオン統計性の観測を行う。◆昨年度に完成した低温電流電圧変換回路を希釈冷凍機に実装し、高精度の電流ゆらぎ測定系を完成させる。回路パラメータの調整によってこの回路の性能を正確に評価する。◆複雑なエッジ構造を持つとされる分数量子ホール状態(占有率2/3など)や量子ドット・量子ポイントコンタクト構造の実空間実時間測定により準粒子ダイナミクスの観測を進める。光学的測定手法の開拓により、高い精度での可視化を目指す。◆複合ゲート付き量子アンチドット試料を作製し、束縛された複数チャネルの準粒子数を独立に制御する手法を開拓する。
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