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2011 Fiscal Year Annual Research Report

量子熱電効果の非平衡物理と熱駆動ナノデバイスの開拓

Research Project

Project/Area Number 20340101
Research InstitutionNational Institute for Fusion Science

Principal Investigator

中村 浩章  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30311210)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 羽田野 直道  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (70251402)
米満 賢治  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 准教授 (60270823)
遠藤 彰  東京大学, 物性研究所, 助教 (20260515)
長谷川 靖洋  埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60334158)
白崎 良演  横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90251751)
Keywordsネルンスト効果 / ビスマス / フォノンドラッグ / 熱電効果 / 量子輸送現象 / 温度勾配 / 二次元電子系 / 金属半導体接合界面
Research Abstract

本年度の二つの研究課題として、1.量子ホール状態での磁場中かつ温度勾配化における二次元電子系の輸送現象を実験および計算機シミュレーションによる解明を目指した。昨年度までに、試料を部分系に分け、各部分で輸送方程式を数値計算するというシミュレーションコードの開発を行ってきた。その計算コードを修正・改良を加え、実際の実験を想定した磁場の値や温度勾配などをいろいろ変えたシミュレーションを行った。特に、磁場中で長方形状の半導体両端に電位差を加えた場合、試料中に電流及び熱流が流れ、Ettingshausen効果が起こり、両端の熱浴よりも試料中の内部で温度が低くなる冷却現象が確認された。このシミュレーション結果は、現実のゴ次元半導体試料を用いた実験で起きるネルンスト電圧測定時の出力の理論からのずれが、上記半導体試料中の温度勾配によるものであるという推測の裏付けとなるものである。
次に二つ目の課題である2.ナノワイヤー構造をもつ熱電半導体の量子輸送現象について、実験および理論での進展があった。実験においては、まずビスマスのナノワイヤーにおいて試料作成・測定系の開発を完成し、ワイヤーの長手方向の電気特性のみならず、ワイヤーの垂直方向に磁場をかけた場合のホール電圧もしくはネルンスト電圧の測定が可能になった。さらに、ワイヤーの直径を変えた試料を作成し、ナノワイヤーの磁場中での輸送係数の直径依存性を計測できるようになった。特に本研究で作成したワイヤーは他のグループで作成されたより長手方向が十分長いことが特徴である。そのため両端の温度勾配依存性が正確に測定できるものと評価されている。一方、理論においては、かつて行った磁場中での三次元ビスマスバルクのフォノンドラッグ効果の計算を、ナノワイヤー系に適応すべく改良を行った。これにより、ナノワイヤーでのフォノンドラッグを取り入れた理論計算の基盤を確立できた。

  • Research Products

    (27 results)

All 2012 2011

All Journal Article (18 results) (of which Peer Reviewed: 15 results) Presentation (9 results)

  • [Journal Article] Transport-Coefficient Dependence of Current-Induced Cooling Effect in a Two-Dimensional Electron Gas2012

    • Author(s)
      Naomi Hirayama, Akira Endo, Kazuhiro Fujita, Yasuhiro Hasegawa, Naomichi Hatano, Hiroaki Nakamura, Ry. en Shirasaki, Kenji Yonemitsu
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: vol.41 Pages: 1535-1539

    • DOI

      DOI:10.1007/s11664-011-1850-3

  • [Journal Article] Thermomagnetic Effect in the Quantum Hall System2012

    • Author(s)
      Ry. en Shirasaki, Akira Endo, Naomichi Hatano and Hiroaki Nakamura
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: vol.41 Pages: 1540-1545

    • DOI

      DOI:10.1007/s11664-011-1880-x

  • [Journal Article] Quantum Oscillations of Thermoelectric Effects in a Pseudo-one-dimensional Electron Gas with a Spin-Orbit Interaction2011

    • Author(s)
      Hiroaki Nakamura, Naomichi Hatano, Ry. en Shirasaki, Naomi Hirayama, Kenji Yonemitsu
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: vol.40 Pages: 601-605

    • DOI

      DOI:10.1007/s11664-010-1470-3

  • [Journal Article] Crystal orientation and transport properties of a 633-nm-diameter bismuth nanowire2011

    • Author(s)
      Yasuhiro Hasegawa, Daiki Nakamura, Masayuki Murata, Hiroya Yamamoto, Takashi Komine, Takashi Taguchi, Shinichiro Nakamura
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40 Pages: 1005-1009

    • DOI

      10.1007/s11664-010-1480-1

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical study of effect of scattering process on transport properties in Bi nanowires2011

    • Author(s)
      Yuki Ichige, Tsuyoshi Matsumoto, Takashi Komine, Ryuji Sugita, Tomosuke Aono, Masayuki Murata, Daiki Nakamura, Yasuhiro Hasegawa
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40 Pages: 523-528

    • DOI

      10.1007/s11664-010-1426-7

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical study of effect of surface potential on transport properties in Bi nanowires2011

    • Author(s)
      Tsuyoshi Matsumoto, Yuki Ichige, Takashi Komine, Ryuji Sugita, Tomosuke Aono, Masayuki Murata, Daiki Nakamura, Yasuhiro Hasegawa
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40 Pages: 1260-1265

    • DOI

      10.1007/s11664-010-1406-y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature Distribution in Two-Dimensional Electron Gases under a Strong Magnetic Field2011

    • Author(s)
      Naomi Hirayama, Akira Endo, Kazuhiro Fujita, Yasuhiro Hasegawa, Naomichi Hatano, Hiroaki Nakamura, Ryoen Shirasaki, Kenji Yonemitsu
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: 40 Pages: 529-532

    • DOI

      10.1007/s11664-010-1427-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crossover from Bias-Induced to Field-Induced Breakdown in One-Dimensional Band and Mott Insulators Attached to Electrodes2011

    • Author(s)
      Y.Tanaka, K.Yonemitsu
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 83 Pages: 085113(11pages)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.085113

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nonlinear Conduction by Melting of Stripe-Type Charge Order in Organic Conductors with Triangular Lattices2011

    • Author(s)
      Y.Tanaka, K.Yonemitsu
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 80 Pages: 103702(4pages)

    • DOI

      10.1143/JPSJ.80.103702

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermoelectric properties for single crystal bismuth nanowires using a mean free path limitation model2011

    • Author(s)
      Daiki Nakamura, Yasuhiro Hasegawa, Masayuki Murata, Hiroya Yamamoto, Takashi Komine
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 110 Pages: 053702 1-6

    • DOI

      10.1063/1.3630014

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Resonant Spectrum Analysis of the Conductance of an Open Quantum System and Three Types of Fano Parameter2011

    • Author(s)
      K.Sasada, N.Hatano, G.Ordonez
    • Journal Title

      J.Phys.Soc.Jpn.

      Volume: 80 Pages: 104707(27pages)

    • DOI

      10.1143/JPSJ.80.104707

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Test of fluctuation theorems in non-Markovian open quantum systems2011

    • Author(s)
      T.Katamoto, N.Hatano
    • Journal Title

      Phys.Rev.E

      Volume: 84 Pages: 031116(13pages)

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.84.031116

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] I-V characteristics of an open quantum dot with a Coulomb interaction : Extension of the Landauer formula with exact scattering eigenstates2011

    • Author(s)
      A.Nishino, T.Imamura, N.Hatano
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 83 Pages: 035306(17pages)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.035306

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Resonant-state Expansion of the Green's Function of Open Quantum Systems2011

    • Author(s)
      N.Hatano, G.Ordonez
    • Journal Title

      Int.J.Theor.Phys.

      Volume: 50 Pages: 1105-1115

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.035306

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nontrivial Eigenvalues of the Liouvillian of an Open Quantum System2011

    • Author(s)
      R.Nakano, N.Hatano, T.Petrosky
    • Journal Title

      Int.J.Theor.Phys.

      Volume: 50 Pages: 1134-1142

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.035306

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evolution of the Kondo effect in a quantum dot probed by shot noise2011

    • Author(s)
      Y.Yamauchi, K.Sekiguchi, K.Chida, T.Arakawa, S.Nakamura, K.Kobayashi, T.Ono, R.Sakano, T.Fujii
    • Journal Title

      Phys.Rev.Lett

      Volume: 83 Pages: 176601-176604

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.106.176601

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Kondo crossover in shot noise of a single quantum dotwith orbital dege neracy2011

    • Author(s)
      R.Sakano, T.Fujii, A.Oguri
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 79 Pages: 075440-075448

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.83.075440

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Analysis of shot noise at finite temperatures in FQH edge states2011

    • Author(s)
      E.Iyoda, T.Fujii
    • Journal Title

      J.Phys.Soc.Jpn.

      Volume: 80 Pages: 073709-073112

    • DOI

      10.1143/JPSJ.80.073709

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 量子ホール系の直流電流加熱による熱起電力:充填率および電流・磁場方向依存性2012

    • Author(s)
      藤田和博、遠藤彰、勝本信吾、家泰弘
    • Organizer
      日本物理学会2012年第67回年次大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学(兵庫)
    • Year and Date
      2012-03-25
  • [Presentation] Theoretical study of thermoelectric and thermomagnetic characteristics of Bismuth nanowires under a quantizing magnetic field2011

    • Author(s)
      Naomi Hirayama, Akira Endo, Kazuhiro Fujita, Yasuhiro Hasegawa, Naomichi Hatano, Hiroaki Nakamura, Ryoen Shirasaki, Kenji Yonemitsu
    • Organizer
      International Workshop on Simulation and Mani pulation of Quantum Systems for Information Processing
    • Place of Presentation
      Julich, Germany
    • Year and Date
      20111000
  • [Presentation] Theoretical study of thermoelectric and thermomagnetic characteristics of Bismuth nanowires under a quantizing magnetic field2011

    • Author(s)
      N.Hirayama, A.Endo, K.Fujita, Y.Hasegawa, N.Hatano, H.Nakamura, R.Shirasaki, K.Yonemitsu
    • Organizer
      NATO Advanced Research Workshop on New materials for thermoelectric applications : theory and experiment
    • Place of Presentation
      Hvar, Croatia
    • Year and Date
      20110900
  • [Presentation] 量子ホール系における電流加熱時電子温度の空間分布と発生する熱起電力2011

    • Author(s)
      藤田和博
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      富山大学(富山)
    • Year and Date
      2011-09-23
  • [Presentation] ビスマスナノワイヤーの量子化磁場下での熱電特性の理論計算2011

    • Author(s)
      平山尚美
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      富山大学(富山)
    • Year and Date
      2011-09-23
  • [Presentation] 単結晶ビスマスナノワイヤーのShubnikov-de Haas振動2011

    • Author(s)
      常見文昭, 村田正行, 長谷川靖洋, 小峰啓史, 遠藤彰
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      富山大学(富山)
    • Year and Date
      2011-09-23
  • [Presentation] Spatial distribution of electron temperatures induced by a current in the quantum Hall regime2011

    • Author(s)
      K.Fujita, A.Endo, S.Katsumoto, Y.Iye
    • Organizer
      19th Int.Conf.on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS19)
    • Place of Presentation
      Tallahassee FL. USA
    • Year and Date
      2011-07-25
  • [Presentation] Thermomagnetic effect in the quantum Hall system2011

    • Author(s)
      Ryoen Shirasaki, Akira Endo, Naomichi Hatano, Hiroaki Nakamura
    • Organizer
      30th International Conference on Thermoelectrics (ICT 2011)
    • Place of Presentation
      Traverse City, MI, USA
    • Year and Date
      2011-07-18
  • [Presentation] Transport-coefficient dependence of current-induced cooling effect in a two-dimensional electron gas2011

    • Author(s)
      Naomi Hirayama, Akira Endo, Kazuhiro Fujita, Yasuhiro Hasegawa, Naomichi Hatano, Hiroaki Nakamura, Ryoen Shirasak, Kenji Yonemitsu
    • Organizer
      30th International Conference on Thermoelectrics (ICT 2011)
    • Place of Presentation
      Traverse City, MI, USA
    • Year and Date
      2011-07-18

URL: 

Published: 2013-06-26  

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