2021 Fiscal Year Research-status Report
局在光子場による単一フォノン操作を利用した量子ナノデバイスの極限的熱散逸制御
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20K04307
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
石川 陽 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10508807)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱制御 / フォノン量子制御 / コヒーレントフォノン / 量子ナノデバイス / 近接場光学 / 量子散逸 / 量子熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電子、光子、スピンなどの最小量子単位を用いた量子ナノデバイスにおいて、熱の最小量子単位である単一フォノンの操作による極限的熱散逸制御を確立し、その原理を量子ナノデバイスに応用することで、量子ナノデバイスの動作性能効率の向上を目指している。さらに、ナノスケールの熱の概念および熱の量子ナノ工学を創成することが目標である。
前年度までに、ナノ構造における局在光子場を介した電子‐フォノン相互作用の解明を目標として研究を進め、ナノ構造・光子場・フォノン系の三者の結合系に対する量子マスター方程式を用いた基礎となる理論的枠組みを構築し、デバイス動作効率を評価するための局所プローブ測定の効果を取り入れ、非熱浴的環境のひとつであるコヒーレントフォノンによる量子ナノデバイスに対する整流作用を発見した。
令和３年度は、前年度までの研究成果を精査してさらに発展させることで、フォノン環境と結合するナノ構造における局在光子場を介した量子ダイナミクスが、局所プローブによる量子測定によって及ぼされる効果を明らかにし、その研究成果を１編の学術論文として公表した。また、上記と同様の系における量子熱力学的な基本原理を探究し、量子ナノデバイスの簡易モデルに対して適用した研究成果を、学術論文として投稿準備中である。さらに、本研究から派生して、光子場の量子ゆらぎを起源とする量子散逸系における非線形現象に関する知見を明らかにし、その研究成果を１編の学術論文として公表した。以上の研究成果をさらに発展させることで、単一フォノン量子操作による極限的熱散逸制御の実現へつながる基礎的な知見を得ることができるものと期待される。
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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
令和３年度は、前年度までの研究成果を精査し発展させて学術論文等として公表することを目指すとともに、「最適なナノ構造を用いた量子ナノデバイスに対する理論モデルの設計」と「量子ナノデバイスの動作シミュレーション手法の開発」の二つの項目を具体的な研究目標と定めて研究を進めた。現在までに、量子ナノデバイスを構成する基本要素として局所光子場中に配置されたナノ構造間の励起エネルギー移動をモデル化し、局所プローブによる観測効果を導入することで、量子ナノデバイスの動作効率に与える影響を数値的に評価した。その研究成果は、１編の学術論文として公表されている。また、量子熱力学を用いた基礎的な研究を進め、その研究成果をまとめた学術論文を投稿準備中であるとともに、ナノ物質・局在光子場・フォノン場を包括的に評価するための数値計算手法の開発に対しても具体的に取り掛かっている。さらに、光子場を介した多数のナノ構造において発現する集団的な新機能に関する知見を得ることができ、その研究成果を１編の学術論文として公表することができた。以上のように、当初の令和３年度における研究計画に対しての研究成果があがっており、さらに本研究から派生して新しい知見も得られたことから、おおむね順調に進展しているものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は「単一フォノン操作を利用した熱散逸制御による量子ナノデバイス性能向上の検討」と「熱の量子ナノ工学への応用検討とナノスケールの熱という概念の構築」の２つの項目を目標として研究を進める。局在光子場中に配置されたナノ構造間のフォノン支援励起エネルギー移動モデルについて考察し、局所プローブによる局在光子場の変調がフォノンの量子状態へ与える変化と量子ナノデバイスの動作効率との関係を理論的・数値的に評価する。前年度までの研究で注目したコヒーレントフォノン状態に加えて、単一フォノン量子状態にも注目し、単一フォノン操作を用いた熱散逸制御の可能性を探るとともに、それを応用した量子ナノデバイスの新規動作原理を提案することを目指す。さらに、量子熱力学の基礎理論をもとに上記の研究成果を精査し、単一フォノンを熱の最小単位として操作・制御することで、熱の量子ナノ工学にどのような変革をもたらす可能性があるのか検討する。最終的に、本研究で得られた理論的知見をもとに、量子ナノ系における熱および熱的現象に対する基本的概念を構築することを目指し、応用面では、電子・光子・フォノンのハイブリッド量子効果による革新的な新機能を持つ量子ナノデバイス創成について探求する。
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| Causes of Carryover |
【次年度使用額が生じた理由】国内外の新型コロナウィルスの状況によって、国際学会および国内学会がハイブリッド開催またはオンライン開催となり、当初計画していた出張旅費（学会によっては参加費）による支出が減少したため次年度使用額が生じた。
【使用計画】最終年度における学術論文や学会発表などによる本研究成果の発信を充実させるために使用する。また、今後の研究において、大容量の数値計算シミュレーションが必要になることも予想されるため、その際はさらにワークステーションを追加購入し、本研究をより進展させて研究成果をまとめるために適切な環境を整えることができるよう使用する。
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