2014 Fiscal Year Annual Research Report
ヘリウム表面における新奇量子現象-マヨラナ状態の検証
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24000007
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
河野 公俊 国立研究開発法人理化学研究所, 河野低温物理研究室, 主任研究員 (30153480)
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| Project Period (FY) |
2012-05-29 – 2017-03-31
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| Keywords | 低温物性 / トポロジカル超流動 / 対称性の破れ / 非線形非平衡現象 / ヘリウム液面電子 / ヘリウム液面イオン / 少数電子制御 / 量子計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、国際的評価の高い、2次元電子系やイオン系を用いたヘリウム表面に特有な量子現象の研〓よって、これまでに得られた知見の中で特に重要なものについて、集中的に研究を深化させることにより、〓までの研究を集大成することを目的とする。具体的には以下の項目について重点的に研究を行う。
1 超流動ヘリウム3自由表面に存在することが理論的に予言された表面束縛状態のマヨラナ性を理想〓条件のもとで検証すること。それに関連した、超流動ヘリウム3の持つ自発的対称性の破れに起因する〓量子現象のさらなる探求を行う。バリウムイオンの液体ヘリウム中レーザー分光の手法を確立し、光ポン〓グによるスピン偏極とその緩和時間測定への応用を実現する。この手法を超流動ヘリウム3表面に適用〓とでマヨラナ状態を検証する。
2 ヘリウム表面上2次元電子系で我々が発見した、表面準位間のマイクロ波励起に伴う磁気伝導度消失〓の機構解明と、ヘリウム表面上の単電子輸送を組み合わせる。これによって、表面状態の量子ダイナミク〓研究すると同時に、そこで得られた知見を量子ビット作成へと応用する。
1について今年度は、昨年度に引き続きバリウムイオンの液体ヘリウム表面に捕獲し、そのレーザー励〓光を試みた。予想以上に困難で、試行を続けている。表面に捕獲した電荷から発する光のうち直接の散乱〓が強く、バリウムイオンからの発光を確認することにいたっていない。アブレーションによって帯電したナノ〓ターが多数生成されていることを示唆している。一方で、このクラスターが巨視的な構造へと成長する興味〓現象が観測された。2について、冷凍機の故障など予想外に要因により、マイクロ波励起に伴う異常磁気〓効果の実験に遅れが出た一方、少数電子制御の実験において、一列に整列した電子の結晶化が観測さ〓など、大きな進展があった。
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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
液体ヘリウム表面にバリウムイオンを捕獲して、そのレーザー分光を用いる実験のアイデアはこれまで〓研究の飛躍をもたらす可能性を強く感じさせるものである。しかし、当初の予想に反し、イオンをヘリウム〓に捕獲しその発光を捉えることは簡単ではない。これまでに整備したレーザー装置により、液中に存在す〓ウムイオンからの発光を観測することには成功した。表面に電荷を捉えそこから発せられる光の補足にも〓したが、その光は主に直接の散乱光であり、イオンに由来する発光の検出にいたっていない。これは液中〓レーションにより、多数の帯電した微小クラスターが生成されることに由来すると考えられ、これらをイオン〓ることが喫緊の課題である。
一方、少数電子制御では毛細管凝縮を利用したマイクロチャネル上に1列に整列した電子系を安定して〓することができるようになり、一列でも結晶化が起きることを明確に証明することができた。これらの知見と〓口波励起を組み合わせるなど、今後の展開に重要な役割をはたす技術開発も具体的に視野に入りつつあ〓
このように研究は全体として順調に推移しており、今後研究の飛躍につながる本質的な信号を得るため〓層の努力を注ぐべき段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
バリウムイオンを液体ヘリウム中に導入する方法を探求してきた。これが当初の予想よりも極めて困難〓い、現在も試行を重ねている。特にバリウムイオンをヘリウム表面に捕捉して、バリウムイオン特有の発光〓出することに力を入れている。このために、ヘリウム表面直上に針状の電極を置き、それに電圧を印加す〓とで、正電荷をヘリウム表面下に捕捉する。電荷は、YAGレーザーによるバリウムターゲットの液中アブレ〓ションによって生成する。アブレーション後に電荷が生成されることは、針状電極直下の表面の変形によっ〓認された。この表面の盛り上がりに励起用のレーザー光を照射してバリウムイオンからの発光を確認しよ〓努めたが、これまでのところ成功していない。興味深いことに、表面近傍に明るく輝く線状の領域があるこ〓肉眼でも確認できる。この領域の分光から、強い直接散乱光があることが確認された。実体顕微鏡程度の〓大では特に不均一などの構造的なものが確認できないことから、光を散乱しているものが、光の波長以下〓体であることが推論される。アブレーションによりバリウムクラスターが生成されたものと推測される。今後〓の微小物体の2段階アブレーションを行い、バリウムイオンの生成を確認したい。
これが成功しない場合、ヘリウム蒸気中のバリウムターゲットのアブレーションにより発生するバリウム〓を液中に電場により誘導する方法を行う可能性が残されている。そのためには限られた空間中に適切な〓ド電極構造を作りこむ必要がある。これらにより、バリウムイオンの作成と表面下への捕捉を実現したのち〓光ポンピングによるスピン完全偏極を実現する。この実験手法を超低温で実行するためには、光ファイバ〓基盤とする分光システムの構築を行う必要がある。ヘリウム3と4の比較実験を行うことで、ヘリウム3の〓持つ核スピンに起因する磁気的な性質が偏極スピンの緩和に及ぼす影響をまず明らかにする。
ヘリウム表面上の少数電子制御試みは、台湾交通大学の連携実験室との共同研究により進める。今後〓湾での活動比重が増すことが予想されることから、交通大学のデバイス作成設備の増強に努める。とくに〓スクレス露光装置など、必須の微細加工装置の整備などは、多面的な可能性を念頭に拡充する方策を探〓また、電子の表面状態からの引き抜き技術の開発を行っており、興味ある信号を捉えることに成功してい〓測定方法の有効性が実証できたので、その現象の理解と量子状態測定への応用に向かう。
ヘリウム表面電子のマイクロ波励起と磁気輸送現象の実験は、希釈冷凍機の真空漏れが発生し、その〓に時間を必要としたが、修理を完了したので、これから磁場下の自発的発振現象の測定や、上記の少数〓制御デバイスとマイクロ波の組み合わせへと実験を展開する予定である。
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