2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development and application of complex conductivity measurement method for two-dimensional electron systems using circularly polarized microwaves
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22H01964
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
荒川 智紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター, 主任研究員 (00706757)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 2次元電子系 / 空洞共振器 / 誘電体共振器 / 円偏波 / マイクロ波 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
通常、2次元電子系の輸送現象の研究では、直流極限での伝導度 (縦伝導度とホール伝導度)を測定する。しかし、この静的な手法では、電子のダイナミクスに関する情報が平均化によって消えてしまう。本研究の目的は、マイクロ波領域において複素伝導度の全成分を同時に測定できる非接触な複素伝導度の測定手法を開発し、電子ダイナミクスを研究する。特に、円偏波空洞共振器法と円偏波誘電体共振器法の二種類の手法を開発し、ほぼすべての2次元電子材料に適応できる手法として確立する。
本年度は、円偏波空洞共振器を用いてInGaAs/InAlAs界面形成された2次元電子系の複素伝導度の周波数特性を測定し、非自明な有効磁場の存在を説明するためのモデルの検討を開始した。円偏波誘電体共振器法の改良を行い、スタンプ法によってサファイア基板上に転写した劈開グラフェンの複素伝導度の検出を試みた。誘電体共振器の改良では、励振用アンテナとの結合を最適化することでQ値を改善し、誘電体の形状を最適化することで不要な不純物スピンのESR信号を低減することに成功した。
本測定手法では、低温環境下において左右の円偏波モードを独立に測定することで、4自由度の情報（左右の共振周波数と半値幅の変化）が得られる。本年度は、この測定をより高精度に行うため、独自の低温用校正手法を開発し、論文として発表した。
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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
円偏波誘電体共振器法の開発では、励振用アンテナとの結合を最適化することでQ値を改善し、また、不純物スピンのESR信号の円偏波依存性から十分な円偏波純度が実現されていることが確認できた。ただし、大きさ数10 umの劈開グラフェンからの信号を検出するには、さらに測定感度を上げる必要がある。一方で、低温環境下における独自の校正手法を確立したため、今後はより高精度な円偏波分解測定が可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
円偏波誘電体共振器法の改良とフロッケ状態の探索を並行して推進する。円偏波誘電体共振器法によって劈開グラフェン（数10ミクロン程度）の信号を検出するため、誘電体形状をさらに工夫し、電磁界モードの電場を試料近傍に集中させることで相互作用を大きくする。一方、誘電体共振器のTE011モードを強く励振し、GaAs/AlGaAs界面の2次元電子系に垂直振動磁場を印加した状態で複素伝導度の測定を行い、フロッケ状態の探索を行う。
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