2022 Fiscal Year Annual Research 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, 教授 (10508807)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子制御 / コヒーレントフォノン / 量子熱力学 / 近接場光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、単一フォノン操作による極限的熱散逸制御を確立し、量子ナノデバイスの動作性能向上を目指している。そして、ナノスケールの熱概念と熱の量子ナノ工学の創成が最終目標である。ナノ物質間の光近接場相互作用をデザインして電子・フォノン間相互作用を制御し単一フォノン操作を実現する計画であるため、前年度までの研究により、ナノ物質間の光近接場相互作用のメカニズムを精査することが研究進展に必要と考えられた。
最終年度は、量子ナノデバイスの基本原理であるナノ構造間における光近接場相互作用を介した励起移動に注目した。ナノ物質と光の両者を量子論的に扱う全量子論を採用、光子場のインコヒーレント成分を含む分極を扱い、光子とナノ物質の相互作用における非マルコフ性が光近接場相互作用の起源であることを見出した。そして、さらにフォノンとの相互作用も含め非マルコフ的に扱うための知見を得た。さらに、ナノスケールの熱を記述する基礎理論としてエントロピー生成最大原理にもとづく量子熱力学を構築、フォノン系と結合したナノ物質間の光近接場励起移動モデルへ適用し、量子ナノデバイス動作中におけるフォノン量子状態変化を解明した。その知見は、単一フォノン操作による極限的熱散逸制御確立を実現する手掛かりとなる。
最後に、研究期間全体を通して、（１）光近接場・ナノ物質・非熱浴的フォノンの相互作用を非マルコフ的に扱う理論開発、（２）量子ナノデバイスの基本モデルにもとづくフォノン量子状態操作へ向けた知見の獲得、（３）ナノスケールの熱概念および熱の量子ナノ工学の創成へ向けた量子熱力学の基礎理論構築を達成することができた。極限的熱散逸制御の確立という応用的目標は達成できなかったが、当初予定より学術面において重要な成果をあげることができた。
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