2016 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, 理学院, 教授 (20212186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都倉 康弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20393788)
橋坂 昌幸 東京工業大学, 理学院, 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、【４】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。
Ｈ２８年度は、ランダウ占有率２の量子ホールエッジチャネルにおける朝永ラッティンジャー流体に注目した実験を中心に進め顕著な成果を得た。特に、スピン電荷分離によって生じたスピン波束と電荷波束の時間分解測定に成功し【１】を実現した。さらにスピン波束と電荷波束を扱うことができるスピンプラズモニクスへの応用可能性を示唆し、【４】を完成した。また、量子ドットを用いたエネルギー分光によって長寿命非平衡状態が形成される様子を観測し、一次元系における前期熱平衡状態（pre-thermalized state）との対応を確認することにより【２】の実現への目処がたった。さらに、LOフォノンエネルギーを超える非常に大きなエネルギーを有する非平衡電子の安定性に関する研究から、【３】に向けた実験結果を得るに至っている。その他、分数量子ホール領域における無電荷熱輸送の検出に向けた新しい試験デバイスの設計と作製や、GHz帯を超える超高周波の励起を可能にするために光伝導スイッチを用いた電子励起の開拓に着手し、より発展的な研究に入っている。
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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
当初に掲げた目標はほぼ実現に至っている。【目標１】朝永ラッティンジャー流体の挙動（スピン電荷分離など）の観測は、著名な論文誌への掲載に至り、招待講演も多数依頼がある。【目標２】電荷を伴わない無電荷熱輸送の検出と解明も、実験データーに関しては系統的なものが得られており、理論との対応を詰めることによって論文出版が見込まれる。【目標３】エッジチャネルと他自由度との相互作用に関する研究も、実験データーが得られたことにより理論との対応を詰めることによって完成が見込まれる。【目標４】プラズモン集積回路や量子情報伝達チャネルの探索についても、【１】や【２】の結果から強く示唆される。
［１］スピン電荷分離現象の実験データを解析し、エッジチャネルの朝永ラッティンジャー流体のパラメータ（相互作用強度など）の同定に成功した【目標１】。エッジチャネルを用いた純スピン信号の生成が可能であること、さらに電荷とスピンの双方をそれぞれ信号として用いるスピンプラズモニクスへの展開が可能であることを示した【目標３】。
［２］ランダウ占有率２の並走するエッジチャネルにおけるカイラル朝永ラッティンジャー流体の熱輸送現象に関する実験を進め、量子ドットを用いたエネルギー分光により、非平衡な初期状態から伝搬とともにエネルギー分布関数が変化する様子を測定した【目標２】。チャネル間のエネルギー交換がおこるスピン電荷分離距離よりも十分長い距離を伝搬した場合に、理論的な予言がなされていたatan型のエネルギー分布関数に達する様子が観測され、長寿命非平衡状態の例として注目される。さらに長い距離を伝搬すると熱流の低下が観測され他の自由度との結合の可能性を示唆している【目標３】。
［３］局在スピンと交換相互作用する伝導電子のダイナミクスとその緩和過程の定量的評価を行った。また、エッジチャネルの緩和を量子系へ拡張する検討を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
下記のように、すべての目標を実現するとともに、発展的な研究を進める。
［１］ランダウ占有率２の並走するエッジチャネルにおけるカイラル朝永ラッティンジャー流体の熱輸送現象に関する実験をさらに進展し、系統的な実験結果によって熱輸送現象の解明と目標２の実現を目指す。特に、非平衡な初期状態から、カイラル朝永ラッティンジャー流体で予言されていたatan型のエネルギー分布関数に変化する様子を詳細に調べ、理論との対応について議論する。可積分系における長寿命非平衡状態の例を輸送特性によって明らかにすることを目指す。
［２］整数量子ホール系におけるプラズモン輸送の観測手法を分数量子ホール系に応用し、分数エッジチャネルにおける無電荷熱輸送の検出に取り組む。すでに試料の設計と作製は終了しているため、今後はこの試料に対する測定を行う。実験では、まず分数エッジチャネルにおいて従来の手法が適用可能であることを確かめる。その後、整数と分数エッジチャネルを組み合わせたプロトタイプ試料における無電荷熱輸送の検出、さらに分数量子ホール系で自然に現れるエッジチャネルにおける無電荷熱輸送の検出に取り組む。
［３］昨年度から継続して、非平衡朝永ラッティンジャー流体の応答関数の性質を明らかにし、非平衡エッジチャネルが他自由度と結合して緩和するプロセスについて定量的な検討を加える。時間依存するバイアスに対する応答についてFloquet理論による解析を進める。一方実験で得られた低周波雑音測定の結果についても理論的な検討を加える予定である。特に非平衡定常状態特有のPT対称モデルハミルトニアンが適用できるか調べる。
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