電流ゆらぎ相関測定による固体素子中の量子相関の検出

• Project/Area Number: 10J02344
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanostructural science
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 知田 健作 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2010 – 2012
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2012: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 電流雑音測定 / 整数量子ホール効果 / 量子ホール効果ブレークダウン / コルビノ円板 / ファノ因子 / 雪崩的電視散乱 / 電流ゆらぎ測定 / 前駆現象 / 熱雑音 / 1/f雑音 / 二次元電子系 / 量子細線 / 動的核スピン偏極 / 抵抗検出核磁気共鳴測定

Research Abstract

量子ホール状態は抵抗標準として用いられるだけでなく、次世代の量子情報デバイス実現のプラットフォームとして期待される。しかし、量子ホール状態に閾値以上の電流を印加すると、量子ホール効果ブレークダウンが発生し、量子ホール状態は崩壊してしまう。本研究では、量子ホール効果ブレークダウンの発現機構についての知見を得る目的で、コルビノ円板型に加工した量子ホール状態にあるGaAs/AlGaAs半導体ヘテロ界面に生成する2次元電子系に大電流を流し、電流ゆらぎ測定を行った。測定に際し、測定回路を始めとした測定系の再検討を行い、温度可変インサート中、周辺温度2Kにおいて、高抵抗試料においても、約100kHzまでの電流ゆらぎ測定を行うことの出来る測定系を構築した。
構築した測定系を用い、コルビノ型円板における電流ゆらぎ測定を行った。得られた電流ゆらぎからファノ因子を見積もったところ、1000を超える値が得られた。この結果は、電子が相関を持ってコルビノ型円板中を伝導していることを意味する。ファノ因子が大きくなる要因としては、雪崩的電視散乱に基づくブートストラップ機構が有力な候補である。
本研究成果は、量子ホール効果ブレークダウンが電子相関に基づくことを意味しており、これは量子ホール効果ブレークダウンの発現機構を決定する上で重要な情報である。又、本成果は電流ゆらぎ測定から伝導電子の統計的情報を得た好例である。今後、電流雑音測定により高次のキュムラントの決定などが行われ、電子の伝導する系の普遍的性質の発見や、分類に繋がることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Bias Voltage Dependence of the Electron Spin Depolarization in Quant um Wires in the Quantum Hall Regime Detected by the Resistively Detected NMR (2013)
  • Author(s): Kensaku Chida, Masayuki Hashisaka, Yoshiaki Yamauchi, Shuji Nakamura, Tomonori Arakawa, Tomoki Machida, Kensuke Kobayashi, Teruo ono
  • Journal Title: AIP Conference Proceeding Series Volume: (accepted)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shot noise induced by electron-nuclear spin-flip scattering in a nonequilibrium quantum wire (2012)
  • Author(s): Kensaku Chida, Tomonori Arakawa, Sadashige Matsuo, Yoshitaka Nishihara, Takahiro Tanaka, Daichi Chiba, Teruo Ono, Tokuro Hata, Kensuke Kobayashi, Tomoki Machida
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 85 Issue: 4 Pages: 41309-41309
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.041309
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-frequency and Shot Noises in CoFeB/MgO/CoFeB Magnetic Tunneling Junctions (2012)
  • Author(s): Tomonori Arakawa, Takahiro Tanaka, Kensaku Chida, Sdashige Mastuo, Yoshitaka Nishihara, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Akio Fukushima, Shinji Yuasa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 86 Issue: 22 Pages: 224423-224423
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.224423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Signature of Coherent Transport in Epitaxial Spinel-basedMagnetic Tunnel Junctions Probed by Shot Noise Measurement (2012)
  • Author(s): Takahiro Tanaka, Tomonori Arakawa, Kensaku Chida, Yoshitaka Nishihara, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Hiroaki Sukegawa, Shinya Kasai, Seiji Mitani
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 5 Issue: 5 Pages: 53003-53003
  • DOI: 10.1143/apex.5.053003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-equilibrium transport in a quantum wire in the quantum Hall regime (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamura, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 334 Pages: 334-337
  • DOI: 10.1088/1742-6596/334/1/012031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dispersive lineshape of the resistively detected NMR in a quantum wire in the quantum Hall regime (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamura, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Journal Title: AIP Conference Proceeding Series Volume: 1,399 Pages: 675-676
  • DOI: 10.1063/1.3666557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonequilibrium fluctuation relation in a quantum coherent conductor (2011)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensslin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Journal Title: AIP Conference Proceeding Series Volume: 1,399 Pages: 329-330
  • DOI: 10.1063/1.3666387
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental test of Fluctuation Theorem in a quantum coherent conductor (2011)
  • Author(s): S.Nakamura, S, Yamauchi, Y, Hashisaka, M, Chida, K, Kobayashi, K, Ono, T, Leturcq, R., Ensslin, K., Saito, K., Utsumi, Y., A.C.Gossard
  • Journal Title: the IEEE 21st International Conference on Noise and Fluctuations Volume: 5,994,319 Pages: 270-274
  • DOI: 10.1109/icnf.2011.5994319
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sub-Poissonian Shot Noise in CoFeB/MgO/CoFeB-based Magnetic Tunneling Junctions (2011)
  • Author(s): T.Arakawa, K.Sekiguchi, S.Nakamura, K.Chida, Y.Nishihara, D.Chiba, K.Kobayashi, A.Fukushima, S.Yuasa, T.Ono
  • Journal Title: Applied Phisics Letters Volume: 98 Issue: 20 Pages: 202-103
  • DOI: 10.1063/1.3590921
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of the Kondo Effect in a Quantum Dot Probed by the Shot Noise (2011)
  • Author(s): Yoshiaki Yamauchi, Koji Sekiguchi, Kensaku Chida, Tomonori Arakawa, Shuji Nakamura, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Tatsuya Fujii, Rui Sakano
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 106 Issue: 17 Pages: 176-601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.176601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluctuation theorem and microreversibility in a quantum coherent conductor (2011)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensslin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 83 Issue: 15 Pages: 155-413
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.155431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dispersive lineshape of the resistively detected NMR in a quantum wire in the quantum Hall regime (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamnura, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Journal Title: AIP Conference Proceeding Series Volume: in press(掲載確定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Full Shot Noise in CoFeB/MgO/CoFeB-based Magnetic Tunneling Junctions (2010)
  • Author(s): Koji Sekiguchi, Tomonori Arakawa, Yoshiaki Yamauchi, Kensaku Chida, Masaki Yamada, Hiromasa Takahashi, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 96 Pages: 252504-252504
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 量子ホール状態にあるコルビノ型円盤における電流雑音測定 (2013)
  • Author(s): 知田健作, 秦徳郎, 荒川智紀, 松尾貞茂, 西原禎孝, 田中崇大, 千葉大地, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Electron Spin Depolarization in Non-equilibrium Quantum Wires Accompanied with Dynamic Nuclear Polarization Detected by the Noise Measurement (2012)
  • Author(s): Kensaku Chida, Masayuki Hashisaka, Yoshiaki Yamauchi, Shuji Nakamura, Tomonori Arakawa, Tomoki Machida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono
  • Organizer: 2012 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2012)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2012-09-26
• [Presentation] 量子ホール効果ブレークダウンに伴って発生する1/f雑音の評価 (2012)
  • Author(s): 知田健作, 荒川友紀, 松尾貞茂, 西原禎孝, 田中崇大, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] Precursor Phenomenon of the Quantum Hall Effect Breakdown Detected by Noise Measurement (2012)
  • Author(s): Kensaku Chida, Tomonori Arakawa, Takahiro Tanaka, Sadashige Matsuo, Yoshitaka Nishihara, Tomoki Machida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono
  • Organizer: 31th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-31)
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2012-08-02
• [Presentation] 電流ゆらぎ測定による量子ホール効果ブレークダウン前駆現象の観測II (2012)
  • Author(s): 知田健作、橋坂昌幸、山内祥晃、中村秀司、荒川友紀、西原禎孝、町田友樹、小林研介、小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 兵庫
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 電流ゆらぎ測定による量子ホール効果ブレークダウン前駆現象の観測 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 西原禎孝, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] Precursor phenomenon of the quantum Hall effect breakdown detected by the noise measurement (2011)
  • Author(s): K.Chida, S.Nakamura, T.Arakawa, T.Nishihara, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: The 19th international conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS19)
  • Place of Presentation: Tallahassee, Florida, USA
  • Year and Date: 2011-07-25
• [Presentation] 近藤状態にある量子ドットにおける非平衡電流揺らぎ (2011)
  • Author(s): 山内祥晃、関口康爾、知田健作、荒川智紀、中村秀司、小林研介、小野輝男、藤井達也、阪野塁
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-28
• [Presentation] トンネル磁気抵抗素子におけるショット雑音及び1/f雑音測定II (2011)
  • Author(s): 荒川智紀, 関口康爾, 中村秀司, 知田健作, 酉原禎考, 千葉大地, 小林研介, 小野輝男, 福島章雄, 湯浅新治
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] 量子ホール状態の崩壊に伴う電流ゆらぎの観測 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] InGaAs二次元電子系上に作製した量子ポイントコンタクトにおける電流雑音測定 (2011)
  • Author(s): 中村秀司、西原禎孝、知田健作、荒川智紀、関口康爾、千葉大地、小林研介、小野輝男、好田誠、新田淳作
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] InGaAs二次元電子系に作製した量子ポイントコンタクトにおける非平衡電流雑音測定 (2011)
  • Author(s): 西原禎孝、中村秀司、知田健作、荒川智紀、小林研介、小野輝男、好田誠、新田淳作
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2011-03-23
• [Presentation] 電流ゆらぎ測定および抵抗検出核磁気共鳴測定による動的核スピン偏極に伴う電子スピン減極の観測 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 高梨特定AO4班研究発表会
  • Place of Presentation: 山形
  • Year and Date: 2011-02-23
• [Presentation] 半導体量子細線における動的核スピン偏極とそれに伴う電子スピン減極 (2011)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 荒川友紀, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 特定領域研究「スピン流の創出と制御」第3回若手研究交流会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2011-02-16
• [Presentation] Electron depolarization in a non-equilibrium quantum wire in the quantum Hall regime proved by the noise and resistive-detection NMR messurement (2011)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamwa, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT2011)
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2011-01-14
• [Presentation] Nonequilibrium Fluctuation Relations in a Quantum Coherent Conductor (2011)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensslin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transportand Technology (ISNTT2011)
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 2011-01-12
• [Presentation] 量子ホール効果ブレークダウン領域における電流ゆらぎ測定 (2010)
  • Author(s): 知田健作, 橋坂昌幸, 山内祥晃, 中村秀司, 町田友樹, 小林研介, 小野輝男
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] トンネル磁気抵抗素子におけるショット雑音及び1/f雑音測定 (2010)
  • Author(s): 荒川智紀, 関口康爾, 中村秀司, 知田健作, 西原禎考, 千葉大地, 小林研介, 小野輝男, 福島章雄, 湯浅新治
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] 電子系におけるマッハツェンダー干渉計の作製と評価 (2010)
  • Author(s): 中村秀司、西原禎考、知田健作、荒川智紀、千葉大地、関口康爾、小野輝男、小林研介
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-09-23
• [Presentation] 量子細線における動的核スピン偏極の局所的生成とその検出 (2010)
  • Author(s): 知田健作、橋坂昌幸、山内祥晃、中村秀司、荒川友紀、町田友樹、小林研介、小野輝男
  • Organizer: FIRST Quantum Information Processing Project Summer School 2010
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2010-08-19
• [Presentation] Shot noise measurement in a non-equilibrium quantum wire in the integer quantum Hall regime (2010)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamwa, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: The 19th International Conference on the application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics and Nanotechnology (HMF-19)
  • Place of Presentation: 福岡
  • Year and Date: 2010-08-03
• [Presentation] Shot noise in a quantum wire associated with dynamic nuclear polarization (2010)
  • Author(s): K.Chida, M.Hashisaka, Y.Yamauchi, S.Nakamtua, T.Arakawa, T.Machida, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-29
• [Presentation] Evolution of the Kondo effect in a quantum dot probed by the shot noise (2010)
  • Author(s): Y.Yamauchi, K.Sekiguchi, K.Chida, T.Arakawa, S.Nakamura, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-29
• [Presentation] Nonequilibrium fluctuation relations in a quantum coherent conductor (2010)
  • Author(s): Shuji Nakamura, Yoshiaki Yamauchi, Masayuki Hashisaka, Kensaku Chida, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Renaud Leturcq, Klaus Ensalin, Keiji Saito, Yasuhiro Utsumi, Arthur C.Gossard
  • Organizer: 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS-30)
  • Place of Presentation: 韓国、ソウル
  • Year and Date: 2010-07-27
• [Presentation] Shot Noise in MgO-based Magnetic Tunnel Junctions (2010)
  • Author(s): T.Arakawa, K.Sekiguchi, Y.Yamauchi, K.Chida, M.Yamada, H.Takahashi, D.Chiba, K.Kobayashi, T.Ono
  • Organizer: International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISUMMER2010)
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-07-13