半導体2次元電子系における電子相関と磁場効果

• 研究課題/領域番号: 13304028
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡本 徹 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教授 (60245371)
• 研究分担者: 河野 行雄 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助手 (90334250)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 38,220千円 (直接経費: 29,400千円、間接経費: 8,820千円); 2004年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2003年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2002年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2001年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)
• キーワード: 2次元電子系 / 金属絶縁体転移 / 電子相関 / ウィグナー固体 / 金属・絶縁体転移

研究概要

Si-MOSFETやSi/SiGeヘテロ構造に作られたシリコン2次元電子系およびGaAs/AlGaAsヘテロ構造に作られたGaAs 2次元正孔系においては、強相関とスピン自由度に起因する興味深い現象が期待される。以下に、本研究で得られた成果を列挙する。
1)希釈冷凍機に試料回転機構を組み込み、磁場の角度依存性などのデータを迅速に測定できるシステムを開発した。
2)スピンを完全偏極させると、Si-MOSFETにおいては金属相は消失することが知られていたが、電子移動度が非常に高いSi/SiGeヘテロ接合試料においては、高磁場中でも金属相が生き残ることがわかった。系の内部自由度と不規則性をパラメーターとした金属相出現条件に対する相図を提唱した。
3)ウィグナー固体が基底状態と期待されるSi-MOSFET絶縁体相において、磁気抵抗効果の詳細な測定を行い、他のグループが主張していた強磁性状態が基底状態ではないことを明らかにした。
4)絶縁体相における磁気抵抗効果の測定を相関の弱いGaAs電子系と強相関系であるGaAs正孔系に対して行い、強相関シリコン2次元系で見られた活性化エネルギーの振動が強相関系特有の現象であることを明らかにした。
5)GaAs正孔系の絶縁体相において巨大な正の磁気抵抗を観測した。シリコン2次元系では見られないことからスピン・軌道相互作用が重要であると考えられる。
6)Si/SiGeヘテロ接合2次元電子系に対して、ミリ波領域のサイクロトロン共鳴と電子スピン共鳴の実験を行った。電子スピン共鳴信号は、電子加熱によるものではなくスピン偏極率の減少によって理解され、電子スピン共鳴が2次元電子系のスピン状態を探るための強力なツールとなることが明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Observation of the Ettingshausen effect in quantum Hall systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Komori, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B 71
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of the Ettingshausen effect in quantum Hall systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Komori, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B (発売予定)
• [雑誌論文] A new type of scanning probe microscope : Combination between an electrometer and a THz microscope (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawano, T.Okamoto
  • 雑誌名: Microelectronics Journal (発売予定)
• [雑誌論文] Time response of a highly sensitive and tunable THz detector using the quantum Hall effect (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Takase, Y.Kawano, T.Okamoto
  • 雑誌名: Microelectronics Journal (発売予定)
• [雑誌論文] Magnetotransport measurements on a damaged surface of p-type InAs and the annealing effect (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Tsuji, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B 70
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Imaging of intra- and inter-Landau-level scattering in quantum Hall systems (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawano, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid Communication) 70
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Scanning electrometer using the capacitive coupling in quantum Hall effect devices (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawano, T.Okamoto
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 84 ページ: 1111-1113
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Spin polarization and metallic behavior in a silicon two-dimensional electron system (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Okamoto, M.Ooya, K.Hosoya, S.Kawaji
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid Communications) 69
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Imaging of intra-and inter-Landau-level scattering in quantum Hall systems (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Kawano, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physical Review B 70(Rapid Communication)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Spin polarization and metallic behavior in a silicon two-dimensional electron system (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Okamotb, M.Ooya, K.Hosoya, S.Kawaji
  • 雑誌名: Physical Review B 69(Rapid Communication)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Subband structure and magneto-conductivity of InAs-MIS inversion layers (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Tsuji, T.Okamoto
  • 雑誌名: Phisica E 22 ページ: 377-380
• [雑誌論文] Anomalous metallic phase and magnetism in a high-mobility and strongly correlated 2D electron system (2003)
  • 著者名/発表者名: M.Ooya, T.Okamoto
  • 雑誌名: Physica E 18 ページ: 272-273
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Tsuji, T.Okamoto: "Subband structure and magneto-conductivity of InAs-MIS inversion layers"Physica E. (2004年掲載予定).
• [文献書誌] Y.Kawano, T.Okamoto: "Scanning electrometer using the capacitive coupling in quantum Hall effect devices"Applied Physics Letters. 84. 1111-1113 (2004)
• [文献書誌] T Okamoto, M.Ooya, K.Hosoya, S.Kawaji: "Spin polarization and metallic behavior in a silicon two-dimensional electron system"Physical Review B (Rapid Communications). 69. 041202-1-041202-4 (2004)
• [文献書誌] M.Ooya, T.Okamoto: "Anomalous metallic phase and magnetism in a high-mobility and strongly correlated 2D electron system"Physica E. 18. 272-273 (2003)
• [文献書誌] M.Ooya, T.Okamoto: "Anomalous metallic phase and magnetism in a high-mobility and strongly correlated 2D electron system"Proceedings of the 23rd international conference on Low Temperature Physics. (掲載予定).
• [文献書誌] Y.Kawano, T.Okamoto: "Local electrometer using magnetoresistance oscillation of a two-dimensional electron gas"Proceedings of the 15th international conference on High Magnetic Fields. (掲載予定).
• [文献書誌] Y.Kawano, S.Komiyama: "Cyclotron Radiation Imaging of Nonequilibrium Electrons in Quantum Hall Devices"Recent Research Developments in Physics. 3巻. 129-153 (2002)
• [文献書誌] Y.Kawano, S.Komiyama: "Imaging of nonequilibriuim electrons in quantized Hall devices using cyclotron radiation"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 921-922 (2001)
• [文献書誌] B.Andreev, Y.Kawano, et al.: "Cyclotron resonance quantum Hall effect detector"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 949-950 (2001)
• [文献書誌] S.Kawaji, H.Tanaka, H.Kawashima, T.Okamoto: "Collapse of the quantized Hall resistance : Temperature dependence"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 969-970 (2001)
• [文献書誌] T.Okamoto, S.Kawaji: "Metal-Insulator transition and magnetroresistance in strongly correlated 2D electron systems"Proceedings of 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 1001-1002 (2001)
• [文献書誌] Y.Kawano, S.Komiyama, K.Hirakawa: "Suppression of electron-hole-pair recombination in edge states in quantum Hall regimes"PHYSICA B. 298. 33-37 (2001)
• [文献書誌] Y.Kawano, Y.Hisanaga, H.Takenouchi, S.Komiyama: "Highly sensitive and tunable detection of far-infrared radiation by quantum Hall devices"JOURNAL OF APPLIED PHYSICS. 89. 4037-4048 (2001)