2017 Fiscal Year Annual Research Report
メゾスコピック系における非平衡スピン輸送の微視的理解とその制御
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26220711
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小林 研介 大阪大学, 理学研究科, 教授 (10302803)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江藤 幹雄 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00221812)
小栗 章 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (10204166)
内海 裕洋 三重大学, 工学研究科, 准教授 (10415094)
加藤 岳生 東京大学, 物性研究所, 准教授 (80332956)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | メゾスコピック系 / 近藤効果 / スピントロニクス / 非平衡 / ゆらぎ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微細加工技術を駆使して作製される固体素子は、印加電圧によって平衡状態から極端な非平衡状態までを連続的に制御することが可能であり、非平衡量子多体系を定量的に取り扱うことのできる理想的な舞台である。本年度、小林・小栗・阪野らは、カーボンナノチューブに作製した人工原子を用いた研究を行った。電気伝導測定および電流雑音測定によってSU(4) 近藤状態とSU(2) 近藤状態のそれぞれについて、有効電荷を高精度で検出し、さらに、ウィルソン比も求めた。また、これらの量が、数値くりこみ群による結果と高い精度で一致することも実証した。これは、基底状態に加え、低エネルギー励起を含む場合におけるクロスオーバーの振る舞いの詳細を解明したものである。小栗・阪野は、さらに、超伝導リードに接続された量子ドットのAndreev束縛状態に関する解析を進め、実験で観測されたゼロパイ転移と整合する結論を得た。電子正孔非対称な不純物Anderson模型に基づき、高次Fermi流体補正の微視的な導出を行った。江藤は、カーボンナノチューブのトポロジカル物性に関する理論研究を発展させた。すべての種類のカーボンナノチューブに対してトポロジー数を解析的に求め、分類した。加藤は、強磁性絶縁体と金属の界面でのスピン流揺らぎの理論を構築し、量子ドットにおける温度・化学ポテンシャル駆動断熱ポンピングについて考察した。内海は、相互作用を無視でき、透過率のエネルギー依存性も無視できる理想的な状況においては、電流の揺らぎと、情報エントロピー流の揺らぎは一対一に対応することを示した。さらに、情報伝送の効率の確率分布を考察した。以上のように、「ゆらぎ」という新しい観点から輸送の素過程を解明し制御するという目的で遂行している本研究は、スピン依存伝導とスピントロニクス分野に、実験的・理論的に本質的な新展開をもたらすような着実な進展を遂げている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
量子液体の非平衡ダイナミクスの解明がさらに進み、論文報告以外にも、さらに進展があったことは、学術的に極めて優れた成果であり、当初の計画以上のものであると自負している。実際、カーボンナノチューブ量子ドットの常伝導相におけるSU(4)からSU(2)クロスオーバー、および超伝導状態における量子相転移に関して、いずれも実験と理論の共同研究を通して低エネルギーの多彩な量子状態の性質が明らかになり、研究全体が大きく進展したと考えている。また、電子正孔非対称な場合の高次Fermi流体補正に関する今年度の成果は、実験結果の解釈にも有用であり、ゆらぎの効果を調べる新たな視点になると考えられる。加藤の研究によって、スピン流の微視的メカニズムの理論構築について大きな進展が得られた。これは本研究課題の中心的な課題といえるメゾスコピックの物理とスピントロニクスの橋渡しとなる重要な進捗といえる。阪野は、軌道間の交換相互作用による局所フェルミ流体が、電流の交差相関に及ぼす影響を明らかにした。江藤は、すべての種類（chirality）のカーボンナノチューブについてトポロジー数の分類表を作成したが、ナノチューブに関する実験を側面から支える成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題が当初計画以上に進展していることから、今後もこのペースを維持しながら、研究を展開していく。本研究は、(A) 非平衡近藤状態の解明、(B) 新規非平衡スピン輸送の開拓、(C) 実時間ダイナミクス研究への展開という3つの柱からなる。(A)については、量子ドットの輸送係数のFermi流体領域の振る舞いにおいて、非線形感受率で記述される局在電子の3体ゆらぎの役割が寄与することが分かってきた。この効果は、電子正孔対称性がない場合に重要になり、非平衡電流および電流ゆらぎの絶対ゼロ度からの有限温度補正、および線形応答より高次の有限バイアス補正に顕著に表れる。今年度は、カーボンナノチューブ量子ドットにおいて、実際に3体ゆらぎの寄与がどのように表れるか実験（小林）と理論（小栗）の共同研究を通して明らかにすることを目指す。(B) については、加藤がマグノン輸送（スピン流）の理論をさらに発展させ、実験で観測可能な新奇現象を探索する予定である。阪野は、局所フェルミ流体の非線形電流の交換相互作用のよる量子エンタングルメントについて考察する。 (C)については、単電子ポンプや表面弾性波技術が確立したので、実験に適用していきたい。これらの技術を利用して、スピンショット雑音の実時間観測、近藤状態生成の実時間追跡を目指していく。理論面では、江藤は、カーボンナノチューブの端に局在した状態が、トポロジー数に応じてバンドギャップ中に現れることに注目し、その電気伝導への反映の詳細を計算し、実験での観測を提案する。また、カーボンナノチューブにおける電子フォノン相互作用、格子欠陥による近藤効果の研究も進める計画である。さらに、内海は、量子力学が与える通信容量の限界値の研究を行う。並行して、相対エントロピーの揺らぎの分布の意味の理解をより詳細に検討する。
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| Remarks |
加藤研究室ホームページ：http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/kato_group.html
江藤研究室ホームページ：http://www.phys.keio.ac.jp/faculty/eto/eto.html
小林研介：大阪大学栄誉教授称号付与（平成29年4月1日）
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[Presentation] Finite shot noise and electron heating at quantized conductance in high-mobility quantum point contacts2017
Author(s)
Tatsuya Muro, Yoshitaka Nishihara, Shota Norimoto, Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Kensuke Kobayashi (登壇), Thomas Ihn, Clemens Rossler, Klaus Ensslin, Christian Reichl, and Werner Wegscheider
Organizer
International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017 (SFS2017)
Int'l Joint Research
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[Presentation] 0-π transition in the Kondo regime of a superconductor / nanotube junction2017
Author(s)
Tokuro Hata, Meydi Ferrier, Raphaelle Delagrange, Tomonori Arakawa, Sanghyun Lee, Richard Deblock, Helene Bouchiat, Yuta Higuchi, Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Kensuke Kobayashi
Organizer
7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information （第７回 半導体量子効果と量子情報の夏期研修会）
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