2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26247051
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤澤 利正 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (20212186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都倉 康弘 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 教授 (20393788)
橋坂 昌幸 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (80550649)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | メゾスコピック系 / 量子ホール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題「量子ホールエッジチャネルの非平衡電荷ダイナミクス」では、強磁場中の半導体二次元電子系のエッジチャネルにおける電荷・無電荷輸送など顕著な量子多体現象の観測により、人工的な低次元構造中における非平衡電荷状態の動的制御方法を確立することを目的としている。低周波電流雑音測定、時間分解・周波数分解の超高周波輸送現象、エネルギー分光測定、それらの理論解析によって、整数及び分数量子ホール領域における、【１】人工的構造を用いた朝永ラッティンジャー流体の挙動（スピン電荷分離など）の観測、【２】電荷を伴わない無電荷熱輸送の検出と解明、【３】エッジチャネルと他自由度との相互作用に関する理論研究を進めて、プラズモン集積回路や量子情報伝達チャネルとしての可能性を探索している。
平成２６年度の主な成果は以下のとおりである。量子ホールエッジチャネルを用いた人工的な朝永ラッティンジャー流体に関するエネルギー分光測定を行い、高温を示す電子集団と低温を示す電子集団が混ざりあい、著しく非平衡な状態にある二成分スペクトルが安定的に発生されることを示した。これは、可積分系に特徴的な非平衡伝搬を表しており、朝永ラッティンジャー流体モデルによって理論的に解析した。また、占有率１のエッジチャネルにおける散乱過程を電流揺らぎ相互相関測定によって明らかにした。さらに、エッジチャネルのプラズモンのマッハツェンダー干渉計を試作し良好な干渉特性を得た。これらの結果は、量子ホールエッジチャネルの非平衡電荷状態に関する基本的な物性として学術的価値のある成果であり、プラズモン回路や情報伝達チャネルとしての可能性を示唆しており、今後の発展性が見込まれる。
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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
今年度の主な進捗状況は下記のとおりであり、朝永ラッティンジャー流体の挙動［１］［４］、無電荷熱輸送［１］、理論研究［４］、その他の非平衡現象［２］［３］を含め、おおむね順調に進展していると考えている。
［１］占有率２の量子ホールエッジチャネルを静電的に結合した系は、人工的な朝永ラッティンジャー流体モデルとして扱うことができる。本研究では、非平衡電子状態の安定性を調べ、朝永ラッティンジャーモデルの可積分性を反映した長寿命の二成分スペクトルの観測に成功した。量子ポイント接合により非平衡電荷を注入し、人工的な朝永ラッティンジャー流体を伝搬したあとの電子のエネルギー分布を量子ドットによるトンネル分光により測定し、二成分スペクトルが安定に伝搬することを示した。
［２］１次元の整数量子ホールエッジチャネルを伝搬する電子波のインコヒーレントな散乱過程を、電流ゆらぎ相互相関測定によって検出する新しい手法を開発した。散乱理論による計算と実験結果の比較により、この手法の妥当性を実証した（論文執筆中）。
［３］整数量子ホールエッジチャネルを伝搬するプラズモンに対し、Mach-Zehnder型干渉計を作製した。これにより、複数のプラズモン制御素子の集積化によって、プラズモン回路の設計が可能であることを示した。
［４］エッジチャンネルが幅の狭いトンネル障壁を介してクーロン相互作用している系を朝永ラッティンジャー流体モデルにより解析した。通常ν=2で対向するモードが共存する場合には、異なるスピン・モード間の散乱を表すg1過程を考慮する必要があるが、今回の構成ではこの過程は起こらない事を見いだした。このモデルによりエッジチャンネルの時間発展の表式を求めた。また断熱的に変化するポテンシャルによりもたらされる電流を解析した。近接する量子ドットとのクーロン相互作用による位相緩和の効果についても解析を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の結果を踏まえて、Ｈ２７年度以降の研究として以下の内容を計画している。
［１］量子ドットを用いたエネルギー分光測定により、量子ホール端状態の非平衡電子のエネルギースペクトルを測定し、電子の緩和過程を明らかにする。朝永ラッティンジャー流体モデルによる緩和過程と可積分性による長寿命非平衡状態の関係について明らかにする。特に、占有率が２における並走する２つのチャネル間の非平衡温度分布に注目して実験と解析を進め、特徴的な一次元系熱輸送現象を明らかにする。
［２］Ｈ２６年度までに開発した量子ホールエッジチャネル上のインコヒーレント散乱の検出手法を利用し、単一の整数、または分数量子ホールエッジチャネル、あるいは相互作用しながら並走、または逆走するエッジチャネルにおけるインコヒーレント散乱の評価、解明を進める。
［３］エッジチャネルの朝永ラッティンジャー流体的性質から期待されるスピン電荷分離現象を、高速の時間分解測定で観測することを目指す。プラズモン素子の集積化によって、そのための実験系を確立する。
［４］占有数ν=1のエッジチャンネルにおける励起は朝永ラッティンジャー流体モデルで記述されてきたが、量子ポイントコンタクト(QPC)での分配雑音に関しては未だ実験結果と理論の整合が取れていない。長距離相互作用の効果をうまく扱う事により実験をうまく説明したい。またQPCによる非平衡電子の（エネルギー・時間／空間）分布の自立的な緩和とフォノン等の外的要因による緩和の特徴を明らかにする。
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