量子ドットの非平衡近藤効果による電流揺らぎの研究

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25800174
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 阪野 塁 東京大学, 物性研究所, 助教 (00625022)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 近藤効果 / 量子ドット / ショットノイズ / 局所フェルミ流体

Outline of Annual Research Achievements

実験グループに協力し、カーボンナノチューブ量子ドットの近藤効果による非平衡電流と電流揺らぎ観測された実験データの理論解析を行い、非平衡電流、ショットノイズ、有効電荷の実験観測に成功した。特に端子間に電圧を印加した非平衡状態で、局所フェルミ流体状態の残留相互作用が準粒子対を形成し電流ノイズが増幅することを、理論と詳しく比較検証することにより、精密に観測することに成功した。さらに、近藤エネルギースケールを超えるバイアス領域での、非自明な電流揺らぎの増幅について議論を行った。このエネルギー領域で有用な、場の理論の手法を用いた原子極限からの摂動展開を用いて解析を行い、平均電流、電流ノイズの振る舞いは実験と定性的に説明した。この結果、軌道分裂とクーロン斥力に起因した共鳴トンネル効果が電流、電流ノイズの主要な寄与であることが明らかになった。しかし、まだ実験でみられる平均電流とノイズの比の非自明な増幅については、説明できていない。この問題は中間エネルギー領域での電子相関特性が反映されているものと予想され、中間エネルギー領域の特性解明の新しい切り口となると考える。さらに、前年までの近藤効果の起こった二重量子ドットの低エネルギー状態のチャンネル間の電流のスピンの量子縺れ状態をベルの不等式で評価する理論解析を継続した。特に完全計数統計を使った解析により、強磁性交換相互作用の強い極限では電流中には一重項と三重項の準粒子対が形成されるが、三重項対では粒子、正孔の組で生成されるためにベル相関が打ち消してしまう。結果として一重項のみがベル相関に寄与し、二粒子のベル相関と等価になることがわかった。
本研究では非平衡の電流ノイズをとおしてみえる、電流中に形成された電子多体効果について議論して来た。特に多体状態の励起状態に形成された相関する準粒子の性質を調べることは、電子相関の基礎的理解において重要である。

Remarks

「不思議な量子液体の挙動　世界最高水準技術で解明 －阪大などの研究グループが世界初－」、科学新聞（2015年12月11日 1面）

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Paris-Sud(France)
  • Country Name: France
  • Counterpart Institution: University of Paris-Sud
• [Journal Article] Universality of non-equilibrium fluctuations in strongly correlated quantum liquids (2016)
  • Author(s): Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange, Raphael Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 12 Pages: 230-235
  • DOI: 10.1038/nphys3556
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 多軌道量子ドットの近藤効果における磁場と軌道分裂の効果 II (2016)
  • Author(s): 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 秦徳郎, 藤原亮, 小林研介
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 近藤効果が発現する量子ドットにおけるゆらぎの定理の検証 (2016)
  • Author(s): 秦徳郎, 藤原亮, 荒川智紀, 小林研介, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Helene Bouchiat, 阪野塁, 小栗章
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] Full counting statistics for current through each channel of orbital degenerate Anderson impurity with exchange interactions (2016)
  • Author(s): Rui Sakano, Akira Oguri, Yunori Nisikawa
  • Organizer: APS March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore, Maryland (USA)
  • Year and Date: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] niversality of Non-equilibrium Fluctuations in Strongly Correlated Quantum Liquids (2016)
  • Author(s): Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, Kensuke Kobayashi
  • Organizer: APS March Meeting 2016
  • Place of Presentation: Baltimore, Maryland (USA)
  • Year and Date: 2016-03-14 – 2016-03-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 局所フェルミ流体相互作用によるスピン相関対の生成と、多体のベル不等式 (2016)
  • Author(s): 阪野塁
  • Organizer: 量子論の諸問題と今後の発展
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2016-02-17 – 2016-02-18
• [Presentation] Bell's spin-entangled electron pair generated by local-Fermi-liquid exchange interaction (2016)
  • Author(s): Rui Sakano
  • Organizer: YITP Workshop on Quantum Information Physics (YQIP2016)
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所 (京都府京都市)
  • Year and Date: 2016-01-05 – 2016-01-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 局所フェルミ流体状態にある量子ドットの電流の交差相関についての研究 (2015)
  • Author(s): 阪野塁
  • Organizer: 第5回 強相関電子系理論の最前線 -若手によるオープン・イノベーション-
  • Place of Presentation: 勝浦観光ホテル(和歌山県東牟婁郡那智勝浦町)
  • Year and Date: 2015-12-20 – 2015-12-22
• [Presentation] Theoretical analysis on shot noise mearsurement in a carbon nanotube quantum dot (2015)
  • Author(s): R. Yoshii, R. Fujiwara, T. Hata, T. Arakawa, K. Kobayashi, M. Ferrier, R. Delagrange, R. Deblock, H. Bouchiat, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: GDR Physicque Quantique Mesoscopique - GDR-I Graphene & Nanotubes
  • Place of Presentation: Aussois(France)
  • Year and Date: 2015-11-29 – 2015-12-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universality of Nonequilibrium Behavior in Strongly Correlated Quantum Liquids (2015)
  • Author(s): K. Kobayashi, M. Ferrier, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, R. Delagrange, R. Weil, R. Deblock, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: the International Symposium on Nanoscale Transport and Technology
  • Place of Presentation: NTT物性化学基礎研究所(神奈川県厚木市)
  • Year and Date: 2015-11-17 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spectroscopy of Excited States in Carbon Nanotube Quantum Dot (2015)
  • Author(s): Ryo Fujiwara, Tokuro Hata, Ryosuke Yoshii, Tomonori Arakawa, K. Kobayashi, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Helene Bouchiat, R. Sakano, A. Oguri
  • Organizer: The International Symposium on Material Sciences
  • Place of Presentation: 大坂大学(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2015-11-17 – 2015-11-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノチューブ量子ドットにおけるショットノイズ測定II (2015)
  • Author(s): 藤原亮, 秦徳郎, 吉井涼輔, 荒川智紀, 小林研介, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard DeblockB, Helene Bouchiat, 阪野塁, 小栗章
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] カーボンナノチューブ量子ドットのクーロン閉塞状態における非線形ノイズの理論解析 (2015)
  • Author(s): 吉井涼輔, 藤原亮, 荒川智紀, 秦徳郎, 小林研介, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Helene Bouchiat, 阪野塁, 小栗章
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] 多軌道量子ドットの近藤効果における磁場と軌道分裂の効果 (2015)
  • Author(s): 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, 吉井涼輔, Meydi Ferrier, 荒川智紀, 秦徳郎, 藤原亮, 小林研介
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学(大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [Presentation] Spectroscopy of excited states in carbon nanotube quantum dot (2015)
  • Author(s): Ryo Fujiwara, Tokuro Hata, Ryosuke Yoshii, Tomonori Arakawa, Kensuke Kobayashi, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Richard Deblock, Helene Bouchiat, Rui Sakano, Akira Oguri
  • Organizer: 5th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effects and Quantum Information
  • Place of Presentation: ホテルサンバレー那須(栃木県那須郡)
  • Year and Date: 2015-09-10 – 2015-09-12
• [Presentation] Nonequilibrium Quantum Liquid in a Kondo-correlated Quantum Dot (2015)
  • Author(s): K. Kobayashi, M. Ferrier, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, R. Delagrange, R. Weil, R. Deblock, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
  • Place of Presentation: 京都大学(京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-08-20 – 2015-08-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical Study on Shot Noise in Coulomb Blockade Region for Carbon Nanotube Quantum Dot (2015)
  • Author(s): R. Yoshii, R. Fujiwara, T. Hata, T. Arakawa, K. Kobayashi, M. Ferrier, R. Delagrange, R. Deblock, H. Bouchiat, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
  • Place of Presentation: 京都大学(京都府京都市)
  • Year and Date: 2015-08-20 – 2015-08-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universality of non-equilibrium fluctuations in strongly correlated quantum liquids (2015)
  • Author(s): Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange, Raphael Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: Frontiers of Quantum and Mesoscopic Thermodynamics 2015
  • Place of Presentation: Prague (Czech Republic)
  • Year and Date: 2015-07-27 – 2015-08-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non-equilibrium Fermi Liquid in a Kondo-correlated Quantum Dot Probed by Shot Noise (2015)
  • Author(s): K. Kobayashi, M. Ferrier, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, R. Delagrange, R. Weil, R. Deblock, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: the 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: 仙台国際センター(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effects of orbital splitting on the Kondo effect in a two-orbital quantum dot (2015)
  • Author(s): Akira Oguri, Rui Sakano, Ryosuke Yoshii, Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: the 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: 仙台国際センター(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shot Noise Measurement and Theoretical Analysis on Carbon Nanotube Quantum Dot (2015)
  • Author(s): R. Yoshii, R. Fujiwara, T. Hata, T. Arakawa, K. Kobayashi, M. Ferrier, R. Delagrange, R. Deblock, H. Bouchiat, R. Sakano, and A. Oguri
  • Organizer: the 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: 仙台国際センター(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shot noise monitoring of magnetic-field-induced cross-over between SU(4) and SU(2) symmetry of the Kondo effect (2015)
  • Author(s): Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaelle Delagrange, Raphael Weil, Richard Deblock, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi
  • Organizer: the 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Place of Presentation: 仙台国際センター(宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shot noise monitoring of the cross-over between SU(4) and SU(2) symmetry of the Kondo effect in a carbon nanotube quantum dot (2015)
  • Author(s): M. Ferrier, T. Arakawa, T. Hata, R. Fujiwara, R. Delagrange, R. Weil, R. Deblock, R. Sakano, A. Oguri and K. Kobayashi
  • Organizer: ISSP International Symposium on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所(千葉県柏市)
  • Year and Date: 2015-06-10 – 2015-06-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Kondo effect in a carbon nanotube quantum dot with a finite orbital splitting and a magnetic field (2015)
  • Author(s): Yoshimichi Teratani, Akira Oguri，Rui Sakano，Ryosuke Yoshii，Meydi Ferrier，Tomonori Arakawa，Tokuro Hata，Ryo Fujiwara，Kensuke Kobayashi
  • Organizer: ISSP International Symposium on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所(千葉県柏市)
  • Year and Date: 2015-06-10 – 2015-06-12
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 「ゆらぎ」測定で量子液体の振る舞いを精密に解明
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/release20151124.pdf
• [Remarks] マイナビニュース「大阪市立大学など、非平衡状態にある「量子液体」の挙動を解明」
  • URL: http://news.mynavi.jp/news/2015/11/24/478/