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2013 Fiscal Year Annual Research Report

半導体量子構造による電子波束のダイナミクス

Research Project

Project/Area Number 21000004
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

藤澤 利正  東京工業大学, 大学院理工学研究科, 教授 (20212186)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 村木 康二  日本電信電話株式会社NTT物性研究所, 量子電子物性部, 主幹研究員 (90393769)
熊田 倫雄  日本電信電話株式会社NTT物性研究所, 量子電子物性部, 主任研究員 (30393771)
村上 修一  東京工業大学, 大学院理工学研究科, 教授 (30282685)
Project Period (FY) 2009-05-08 – 2014-03-31
Keywordsメゾスコピック系 / 半導体物性
Research Abstract

本研究は、半導体量子ドット・量子ホール・スピントロニクスの研究と量子光学の知識を融合し、「半導体量子構造による電子波束のダイナミクス」の研究を推進するものである。単一電子波束やプラズモンの干渉性、スピン依存現象を探求し、多体電子状態の物性測定に応用するとともに、電子波束を用いた新たな応用技術への可能性を迫求する。GaAsやグラフェンでの実験研究や、トポロジカル絶縁体での理論研究を中心に研究を進め、下記の成果を得た。
[1]量子ホールエッジチャネルを近接した系を作製し、人工的な朝永ラッティンジャー流体を形成することにより、相互作用領域と非相互作用領域の境界で発生する電荷分断化現象を時間分解測定により観測した。[2]量子ドットを用いたエネルギー分光測定により、人工的な朝永ラッティンジャー流体におけるエネルギー輸送について調べ、2成分のエネルギー分布をもつ非平衡状態が10μm程度の距離に渡って安定に存在することを示した。[3]局所的な分数量子ホール状態を実現し、相互相関雑音測定によって、整数エッジチャネル間にもかかわらず分数電荷のトンネル過程を観測した。[4]電子密度を変調することによりグラフェンの力学インダクタンスを空間的に制御し、プラズモンのガイディングやルーティングを実現した。[5] 3端子三重量子ドットの少数電子領域における伝導測定により、この系における電荷再配置効果を見出した。[6] 2種の強磁性絶縁体を周期的に組み合わせたマグノニック結晶について、量子ホール系と同様のトポロジカルな状態をスピン波(マグノン)で実現可能性について理論提案を行い、ベリー曲率による熱ホール効果の理論を構築した。[7]トポロジカル絶縁体などのエッジ状態・表面状態をデザインする方法について異方性や超格子構造に関して理論的考察を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

個々の研究テーマによって進展に差があるが、研究遂行上に見い出した現象などを含めて、順調に研究が進展しており、およそ予定通りの成果が見込まれると考えている。4つの目標に対する進捗は以下のとおりである。
「電子波束の測定技術の確立」に対しては、遅延制御やビームスプリッター等の技術を確立し、GaAs系やグラフェンでの基礎物性の評価や、周波数変換・共振器への応用の成果を得ている。相関測定・量子雑音測定に関する研究が立ち上がり、局所分数量子ホール状態による分数電荷トンネル過程の観測に成功した。
「高精度・短時間波束制御技術の確立」に向けて、素子の非線形性に起因する高調波発生や周波数混合などの成果を上げた。グラフェン中のシートプラズモンに対するガイディング、ルーティング技術を確立した。
「量子ホール状態の物性測定」では、GaAs系やグラフェン系でのプラズモン速度などで多くの成果に至っている。特に、対向するチャネルを結合することにより、朝永ラッティンジャー流体に特有の電荷分断化現象を検証したことは物理的な意義が大きい。複数チャネル間の相互作用パラメータを扱うことができるカイラル分布定数モデルを構築し、様々な集積化素子への発展を可能にした。エネルギー分光測定により著しい非平衡状態が準安定に存在することを示した結果は目新しい。さらに、占有率5/2状態を明瞭に観測できる分数量子ホール試料など、世界のトップレベルの高移動度電子系を作製することにも成功している。
「電子スピン波束の生成と制御」量子ホール効果とのアナロジーを用いて、磁性体中のマグノン(スピン波)でトポロジカルエッジ状態を作る方法を理論的に提案した。磁性体に人工的に周期構造を導入しマグノニック結晶を作ると、磁性体の双極子相互作用によりトポロジカルな相が実現できることを2つの模型を用いて示すとともに、どのような場合にトポロジカルになりうるかを、強く束縛された電子の系とのアナロジーを用いて物理的に解釈した。さらに、二重量子ドット中や三重量子ドット中での電子スピン制御や核スピン制御に関する研究にも成功している。

Strategy for Future Research Activity

量子ホールエッジチャネルを結合することにより、スピン電荷分離や、スピンフルの朝永ラッティンジャーモデル、さらに長距離で結合するプラズモンの挙動などを調べることにより、朝永ラッティンジャー流体の性質を明らかにするとともに、プラズモン回路の発展性を探求する。相互作用雑音測定を用いて、電子・プラズモン・エニオンなどの量子統計性に注目した実験を進めてゆく。
トポロジカルマグノニック結晶については、量子ホール系とのアナロジーなどを用いて、引き続き実際の磁性体での実現方法や実験での観測方法を提案する。数値計算により有望なマグノニック結晶の構造の提案・エッジ状態の物理的性質の追究をも行う。それと並行して、電子系で提案されているような他の種類のトポロジカル相の実現について理論面から検討する。またトポロジカル絶縁体についても、界面や超格子で起こる表面状態の混成の仕方や結果として出現する状態について、特異な状態が出現する可能性を模索し、トポロジーや対称性の見地から理論的に論ずる。

  • Research Products

    (37 results)

All 2014 2013

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 9 results) Presentation (25 results) (of which Invited: 7 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Stable and unstable dynamics of Overhauser fields in a double quantum dot2014

    • Author(s)
      S. Sharmin, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 89 Pages: 115315

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fractionalized wave packets from an artificial Tomonaga-Luttinger liquid2014

    • Author(s)
      H. Kamata, N. Kumada, M. Hashisaka, K. Muraki & T. Fujisawa
    • Journal Title

      Nature Nanotechnology

      Volume: 9 Pages: 177-181

    • DOI

      10.1038/nnano.2013.312

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Single-Electron Counting Statistics with a Finite Frequency Bandwidth2014

    • Author(s)
      N. Watase, M. Hashisaka, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 53 Pages: 04E101

    • DOI

      10.7567/JJAP.53.04E101

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thermal Hall effect of magnons in magnets with dipolar interaction2014

    • Author(s)
      Ryo Matsumoto, Ryuichi Shindou, and Shuichi Murakami
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 89 Pages: 054420-1-054420-12

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Distributed-element circuit model of edge magnetoplasmon transport2013

    • Author(s)
      M. Hashisaka, H. Kamata, N. Kumada, K. Washio, R. Murata, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 88 Pages: 235409

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transient Current in the Spin Blockade Region of a Double Quantum Dot2013

    • Author(s)
      S. Sharmin, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 52 Pages: 110204

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunable plasmons in graphene2013

    • Author(s)
      N. Kumada, S. Tanabe, H. Hibino, H. Kamata, M. Hashisaka, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Journal Title

      SPIE Newsroom

    • DOI

      10.1117/2.1201307.004840

  • [Journal Article] グラフェンを用いたプラズモン伝搬制御2013

    • Author(s)
      熊田倫雄、田邉真一、村木康二、藤澤利正
    • Journal Title

      応用物理学会誌

      Volume: 82 Pages: 1054-1057

  • [Journal Article] Completely flat bands and fully localized states on surfaces of anisotropic diamond-lattice models2013

    • Author(s)
      Ryuji Takahashi and Shuichi Murakami
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 88 Pages: 235303-1-235303-10

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Topological chiral magnonic edge mode in magnonic crystal2013

    • Author(s)
      Ryuichi Shindou, Ryo Matsumoto, Shuichi Murakami and Jun-lchiro Ohe
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 87 Pages: 174427-1-174427-11

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral spin-wave edge modes in dipolar magnetic thin films2013

    • Author(s)
      Ryuichi Shindou, Jun-Ichiro Ohe, Ryo Matsumoto, Shuichi Murakami and Eiji Saitoh
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 87 Pages: 174402-1-174402-15

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Partial heating between counter propagating quantum Hall edge channels2014

    • Author(s)
      K. Washio, R. Nakazawa, M. Hashisaka, K. Muraki, T. Fujisawa
    • Organizer
      American Physical Society (APS) March Meeting
    • Place of Presentation
      Denver, USA
    • Year and Date
      20140503-07
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体の物理2014

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      青山学院大学(神奈川県相模原市)
    • Year and Date
      2014-03-18
    • Invited
  • [Presentation] Plasmon guiding and routing in graphene at gigahertz range2013

    • Author(s)
      N. Kumada, R. Dubourget, K. Sasaki, S. Tanabe, H. Hibino, M. Hashisaka, H. Kamata, K. Muraki, and T.
    • Organizer
      Int. Symp. Nanoscale Transport and Technology (ISNTT 2013)
    • Place of Presentation
      Atsugi, Japan
    • Year and Date
      20131126-29
  • [Presentation] Shot noise of fractional quasiparticles in a local fractional quantum Hall state embedded in an integer quantum Hall system2013

    • Author(s)
      M. Hashisaka, T. Ota, K. Muraki, T. Fujisawa
    • Organizer
      Int. Symp. Nanoscale Transport and Technology (ISNTT 2013)
    • Place of Presentation
      Atsugi, Japan
    • Year and Date
      20131126-29
  • [Presentation] Plasmon wavepacket in edge channels of GaAs and graphene2013

    • Author(s)
      T. Fujisawa
    • Organizer
      Quantum Science Symposium ASIA-2013 Meeting
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
    • Year and Date
      20131125-26
    • Invited
  • [Presentation] Quantum capacitance probing of spin and charge dynamics in a one-and two-electron double quantum dot2013

    • Author(s)
      T. Ota, K. Hitachi, T. Fujisawa and K. Muraki
    • Organizer
      Int. Cont. Solid State Devices and Materials (SSDM2012)
    • Place of Presentation
      Fukuoka, Japan
    • Year and Date
      20130924-27
  • [Presentation] Single-Electron Counting Statistics with a Finite Frequency Bandwidth2013

    • Author(s)
      N. Watase, M. Hashisaka and T. Fujisawa
    • Organizer
      Int. Conf. Solid State Devices and Materials (SSDM2012)
    • Place of Presentation
      Fukuoka, Japan
    • Year and Date
      20130924-27
  • [Presentation] Sharp dip structures at the triplet resonant tunneling of a two-electron double quantum dot2013

    • Author(s)
      S. Sharmin
    • Organizer
      The 3rd Summer School on Semicond. /Supercond. Quantum Coherence Effects and Quantum Information
    • Place of Presentation
      Nasu, Japan
    • Year and Date
      20130904-06
  • [Presentation] Scattering of fractional quasiparticles in a local fractional quantum Hall state2013

    • Author(s)
      M. Hashisaka
    • Organizer
      The 3rd Summer School on Semicond. /Supercond. Quantum Coherence Effects and Quantum Information
    • Place of Presentation
      Nasu, Japan
    • Year and Date
      20130904-06
  • [Presentation] Nonlinear electron-nuclear dynamics in a double quantum dot2013

    • Author(s)
      T. Fujisawa
    • Organizer
      The 3rd Summer School on Semicond. /Supercond. Quantum Coherence Effects and Quantum Information
    • Place of Presentation
      Nasu, Japan
    • Year and Date
      20130904-06
  • [Presentation] Sharp dip structures in excited-state current spectrum at the triplet resonant tunneling of a double quantum dot2013

    • Author(s)
      S. Sharmin, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Organizer
      18th Int. Conf. Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
    • Place of Presentation
      Matsue, Japan
    • Year and Date
      20130722-26
  • [Presentation] Fractionalized wave packets from an artificial Tomonaga-Luttinger liquid2013

    • Author(s)
      H. Kamata, N. Kumada, M. Hashisaka, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Organizer
      20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Plasmon guiding in graphene demonstrated by time-resolved electrical measurements2013

    • Author(s)
      N. Kumada, R. Dubourget, S. Tanabe, H. Hibino, K. Sasaki, M. Hashisaka, H. Kamata, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Organizer
      20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Complete lifting of spin blockade under unstable electron-nuclear dynamics2013

    • Author(s)
      T. Fujisawa, S. Sharmin, K. Muraki
    • Organizer
      16th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-16)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Single electron counting of spin-polarized current through a quantum dot2013

    • Author(s)
      M. Yamagishi, N. Watase, M. Hashisaka, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Organizer
      20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Sharp current suppression at the triplet resonant tunneling in a two-electron double quantum dot2013

    • Author(s)
      S. Sharmin, K. Muraki, and T. Fujisawa
    • Organizer
      16th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-16)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Shot noise of quasiparticles at local fractional quantum Hall states measured by a cross correlation technique2013

    • Author(s)
      M. Hashisaka, T. Ota, K. Muraki and T. Fujisawa
    • Organizer
      20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
    • Place of Presentation
      Wroclaw, Poland
    • Year and Date
      20130701-05
  • [Presentation] Nonequilibrium quantum-dot cellular automata effect in a three-terminal triple quantum dot2013

    • Author(s)
      小林 嵩、太田 剛、佐々木 智、村木 康二
    • Organizer
      International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT) 2013
    • Place of Presentation
      NTT厚木R&Dセンタ(神奈川県厚木市)
    • Year and Date
      2013-11-26
  • [Presentation] 3端子三重量子ドットにおける非平衡量子セルオートマトン効果2013

    • Author(s)
      小林 嵩、太田 剛、佐々木 智、村木 康二
    • Organizer
      日本物理学会 2013年 秋季大会
    • Place of Presentation
      徳島大学
    • Year and Date
      2013-09-27
  • [Presentation] Topological Phenomena of Magnons in Ferromagnets2013

    • Author(s)
      Shuichi Murakami
    • Organizer
      The 34th PIERS
    • Place of Presentation
      Stockholm, Sweden
    • Year and Date
      2013-08-13
    • Invited
  • [Presentation] Berry curvature and topological phases for magnetostatic waves2013

    • Author(s)
      Shuichi Murakami
    • Organizer
      Magnonics 2013
    • Place of Presentation
      Varberg, Sweden
    • Year and Date
      2013-08-08
    • Invited
  • [Presentation] Nonequilibrium quantum cellular automata effect in a three-terminal triple quantum dot2013

    • Author(s)
      小林 嵩、太田 剛、佐々木 智、村木 康二
    • Organizer
      20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
    • Place of Presentation
      ヴロツワフ工科大学、ポーランド
    • Year and Date
      2013-07-01
  • [Presentation] Transport of Edge Magnetoplasmons in Graphene2013

    • Author(s)
      Norio Kumada, Shinichi Tanabe, Hiroki Hibino, Hiroshi Kamata, Masayuki Hashisaka, Koji Muraki, and Toshimasa Fujisawa
    • Organizer
      2013 Korea-Japan Joint Workshop on Semiconductor Physics and Technology-Graphene and Related Materials-
    • Place of Presentation
      韓国
    • Year and Date
      2013-04-24
    • Invited
  • [Presentation] Physics of Topological Insulators and Potential Applications to Phase-change Materials2013

    • Author(s)
      Shuichi Murakami
    • Organizer
      2013 MRS Spring Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, U.S.A.
    • Year and Date
      2013-04-04
    • Invited
  • [Presentation] Magnon Thermal Hall Effect and Topological Magnonic Crystals2013

    • Author(s)
      R. Shindou, R. Matsumoto, J. Ohe, S. Murakami
    • Organizer
      Newspin3
    • Place of Presentation
      Mainz, Germany
    • Year and Date
      2013-04-02
    • Invited
  • [Book] 「スピン流とトポロジカル絶縁体-量子物性とスピントロニクスの発展-」(「基本法則から読み解く物理学最前線」シリーズ第1巻 須藤 彰三・岡 真監修)2014

    • Author(s)
      齋藤 英治、村上 修一
    • Total Pages
      176
    • Publisher
      共立出版

URL: 

Published: 2015-07-15  

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