2013 Fiscal Year Annual Research Report
量子ホール電子系の空間・時間分解計測によるスピンダイナミクスの解明
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25287069
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
音 賢一 千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (30263198)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 量子ホール効果 / スピン / イメージング / Kerr効果 |
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| Research Abstract |
低温・強磁場下での2次元電子系は、電子との様々な相互作用や多体効果が顕在化されるエキゾチックな舞台であり、量子ホール強磁性相やスカーミオン励起、核スピンとの相互作用がおりなすダイナミックな現象等が顕著に現れる。本研究では、光磁気Kerr効果の時間分解計測とイメージング手法を組み合わせて量子ホール電子系のスピン偏極が示すダイナミクスとその空間分布を詳しく調べ、電子スピン緩和の起源である様々な相互作用や集団スピン励起の詳細を研究するとともに、量子ホール電流、スピンの拡散やスピン流の空間分布、さらに分数量子ホール状態でのスピン・ドメイン構造とその安定性等について実験的に調べる。本年度は、極低温下での分数量子ホール効果のKerrイメージングを行うため、希釈冷凍機とKerr顕微鏡を組み合わせて、高感度かつ高安定なKerrイメージング測定装置を製作した。これを用いて、(1)弱励起光による量子ホール状態のスピン偏極の計測、(2)光学ヘッド部分の最適化による位置分解能の向上、(3)再現性の向上、について重点的に取り組み、主に装置製作を行った。平成26年度では、科研費で超伝導電磁石を購入し、12Ｔ程度の強磁場下で行える環境を整備して研究を推進する。
また、Kerr効果の信号強度に影響を与える様々な要素について調べ、Kerr効果のイメージングから得られる情報に定量性をもたせるべく検討を行った。通常は、２次元電子系の局所的な (a)電子濃度のゆらぎ、(b)量子井戸の厚みの揺らぎ、が複合して影響を与えるが、Kerr効果の波長依存性（量子井戸の共鳴による円２色性吸収）および磁場依存性（ランダウ準位の占有率）の情報を合わせることで、両者の影響を分離して計測できることを見出した。
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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
初年度は、極低温下での分数量子ホール効果のKerrイメージングを行うため、希釈冷凍機とKerr顕微鏡を組み合わせて、高感度かつ高安定なKerrイメージング測定装置を製作し、弱励起光による量子ホール状態のスピン偏極の計測と光学ヘッド部分の最適化、イメージング再現性（長時間安定性）の向上、について重点的に取り組んで、おおむね装置製作は完了した。また平成26年度にはこれらに12Ｔ程度の超伝導電磁石を購入して組み合わせることで、分数量子ホール領域の研究が進むものと期待される。また、測定結果の定量的解釈を行うため、Kerr効果の信号強度に影響を与える様々な要素についての検討も進んでいる。これらの成果は日本物理学会で発表するとともに、論文を準備中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
H25年度に製作した希釈冷凍機温度で動作するKerr効果によるスピンイメージング測定系とH26年度に導入する超伝導電磁石を用いて以下のテーマを調べる。
・量子ホール効果のブレークダウン電流により局所的に原子核スピンが偏極される現象が報告されている。すなわち、ブレークダウン電流の分布に沿って動的核スピン偏極が生じ、それにより有効ゼーマンエネルギーが変化して電子スピン偏極度が影響を受けるはずである。これを検証しブレークダウン電流や核スピン偏極の分布とその緩和を時間分解Kerr回転のオーバーハウザーシフト量のイメージングで可視化することを試みる。また、ブレークダウン電流の空間分布について様々な試料構造で調べ、電子濃度ゆらぎの大きさや空間分布との相関を検討して、ブレークダウン臨界電流付近で知られている電流－電圧特性の時間的な不安定性と、スピン偏極のドメイン構造の時間的変動との相関を調べることで、整数・分数量子ホール効果のブレークダウンの機構について調べる。
・パルスレーザーを用いた時間分解Kerr回転および円二色性吸収の計測の顕微マッピングを行う。偏極スピンを生成するポンプ円偏光と電子スピンの歳差運動を検出するプローブ光の位置を走査して、電子スピン偏極度の空間的広がりの情報に加えて時間分解計測による磁気共鳴的な情報である局所磁場やスピン緩和などを一挙に計測できるようにシステムを構築する。試料に接したイマージョンレンズとNAの大きな対物レンズを仕込んだ試料ホルダーを作り、現有の光学窓・超伝導磁石付きクライオスタット内で量子ホール二次元電子系での光誘起電子スピン偏極の空間ダイナミクスを調べる。特に、ν＝１近傍でのスカーミオンが示す実空間応答のダイナミクスや電流を流した状態でのスピン偏極電子の空間伝播について調べる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本年度は、研究遂行のための測定システムの構築と光学系の改良を重点的に行った。当初計画では本年度に超伝導電磁石を購入し強磁場の環境を整備する予定であったが、測定システムおよび試料周辺の光学系の最終的な形状が確定してから、購入予定の電磁石の仕様を決定することが望ましいので、超伝導電磁石の購入は平成２６年度とすることにしたため。
平成２６年度に科学研究費補助金および学術研究助成基金助成金の物品費を用いて超伝導電磁石を購入し、１２テスラ程度の磁場下での実験システムを構築して研究を推進する。
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