量子ホール系カイラルエッジ状態の空間分解分光研究

• 研究領域: 対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
• 研究課題/領域番号: 25103704
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 野村 晋太郎 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90271527)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2014年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2013年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 半導体 / 二次元電子系 / 量子ホール効果 / カイラルエッジ状態 / 空間分解分光測定

研究実績の概要

従来の走査型近接場光学顕微鏡では、通常の光ファイバーを使うことによる円偏光の乱れ、近接場プローブのわずかな引っぱり歪みやねじれによって、円偏光が不規則な向きに乱されていた。そこで、本研究では集束イオンビームを用いて先端部と開口部の形状が軸対称に近い近接場プローブを開発した。さらにベレク補償子を用いて外部から光の偏光状態を補正する独自の手法を開発し、近接場プローブから出射される光の偏光状態を制御した。これらの手法により円偏光を近接場プローブから出射することに成功した。
この円偏光走査型近接場光学顕微鏡を希釈冷凍機中に設置し、極低温・強磁場下において、GaAs/AlGaAs高移動度ヘテロ接合構造試料を局所光励起し、試料の電極間に生じるホール電圧を空間マッピングして調べた。その結果、ナノメートルスケールの領域へスピン偏極した電子を光学的に注入にすることが可能であることを実証した。さらに強磁場中でヘテロ接合構造試料中に生じる量子ホールカイラル端状態にスピン分裂した非圧縮性液体領域があることを初めて実空間で観察することに成功した。この空間マッピング測定によって得られた試料の電極間に生じるホール電圧の符号と大きさの位置依存性は局所スピン密度汎関数法に基づく計算によって説明され、最も内側の非圧縮性液体状態のスピン状態が大きな役割を果たしていることが示された。
本研究で得られた成果は、例えば、消費電力を極限まで低減させるとされるスピントロニクス素子、トポロジカル素子の開発や、光学活性をもつ生体分子の研究の進展に貢献するものと期待される。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Circularly polarized near-field optical mapping of spin-resolved quantum Hall chiral edge states (2015)
  • 著者名/発表者名: Syuhei Mamyouda, Hironori Ito, Yusuke Shibata, Satoshi Kashiwaya, Masumi Yamaguchi, Tatsushi Akazaki, Hiroyuki Tamura, Youiti Ootuka, and Shintaro Nomura
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 15 号: 4 ページ: 2417-2421
  • DOI: 10.1021/nl504767w
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of nano and micro SQUIDs based on Al tunnel junctions (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ishiguro, E. Watanabe, D. Sakuma, T. Shinozaki, S. Tsuchiya, Y. Nago, H. Osato, D. Tsuya, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, S. Nomura, H. Takayanagi, Y. Maeno
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 568 号: 2 ページ: 022019-022019
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/2/022019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization of a Mesoscopic Superconducting Sr2RuO4 Plateon Micro-dc-SQUIDs (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuchiya, M. Matsuno, R. Ishiguro, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, S. Nomura, H. Takayanag, Y. Maeno
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 83 号: 9 ページ: 0947151-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.094715
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoluminescence fine structures in the fractional quantum Hall effect regime (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, M. Yamaguchi, H. Tamura, T. Akazaki, Y. Hirayama, M. Korkusinski, and P. Hawrylak
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.115317
  • NAID: 120007136759
  • 査読あり
• [学会発表] Circularly Polarized Near-field Scanning Optical Microscope for Investigations of Edge States of a Two-dimensional Electron Gas (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: The Asia-Pacific Conference on Near-field Optics
  • 発表場所: Hakodate Research Center for Fisheries and Oceans
  • 年月日: 2015-07-07 – 2015-07-10
• [学会発表] 走査型Nb-SQUID顕微鏡を用いた4He無冷媒冷凍機中の局所磁束観察II (2015)
  • 著者名/発表者名: 柴田祐輔,大嶋勇輝,柏谷裕美,石黒亮輔,柏谷聡,高柳英明,野村晋太郎
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Imaging of spin-split incompressible strips in the quantum Hall chiral edge state (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: The International Conference on Topological Quantum Phenomena
  • 発表場所: Kyoto University Clock Tower Centennial Hall
  • 年月日: 2014-12-17 – 2014-12-20
• [学会発表] 極低温円偏光走査型近接場光学顕微鏡によるスピン分裂非圧縮性液体の観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村晋太郎
  • 学会等名: 平成２６年度東北大プロジェクト研究会
  • 発表場所: ベルサンピアみやぎ泉
  • 年月日: 2014-11-13 – 2014-11-14
• [学会発表] Real-space Mapping of Spin-resolved Quantum Hall Chiral Edge States by Near-field Scanning Optical Microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, T. Ohira, L. Yoshikawa, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: The 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: Tsukuba International Congress Center
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [学会発表] Development of Scanning dc-SQUID system for local magnetic imaging (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shibata, Y. Osima, H. Kashiwaya, R. Ishiguro, S. Kashiwaya, H. Takayanagi and S. Nomura
  • 学会等名: The 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: Tsukuba International Congress Center
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [学会発表] 走査型Nb-SQUID顕微鏡を用いた4He無冷媒冷凍機中の局所磁束観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田祐輔,大嶋勇輝,柏谷裕美,石黒亮輔,柏谷聡,高柳英明,野村晋太郎
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季講演会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Development of nano and micro SQUIDs based on Al tunnel junctions (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ishiguro, Eiichiro Watanabe, Daisuke Sakuma, Shogo Tsuchiya, Yusuke Nago, Hirotaka Osato, Daiju Tsuya, Hiromi Kashiwaya, Satoshi Kashiwaya, Shintaro Nomura, Hideaki Takayanagi, Yoshiteru Maeno
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics
  • 発表場所: Palais Rouge, Buenos Aires, Argentina
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] MoS2薄膜における第二次高調波発生強度の層数依存性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 塚本知九馬，野村晋太郎
  • 学会等名: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学、相模原市
• [学会発表] 局所磁気観察のための走査型Nb微小SQUID顕微鏡の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田祐輔，柏谷裕美，石黒亮輔，柏谷聡，高柳英明，野村晋太郎
  • 学会等名: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学、相模原市
• [学会発表] Sr2RuO4に流れるカイラルエッジ電流検出に向けたMicro-SQUIDの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 土屋翔吾，篠崎智也，永合祐輔，石黒亮輔，柏谷聡，柏谷裕美，野村晋太郎，前野悦輝，高柳英明
  • 学会等名: 第６１回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 青山学院大学、相模原市
• [学会発表] 近接場光学顕微鏡を用いたスピン分裂量子ホール端状態の観測II (2014)
  • 著者名/発表者名: 間明田周平、柴田祐輔、伊藤宙陛、大平智也、吉川ルノ、柏谷聡、山口真澄、田村浩之、赤崎達志、大塚洋一、野村晋太郎
  • 学会等名: 日本物理学会第６９回年次大会
  • 発表場所: 東海大学、平塚市
• [学会発表] maging of spin-resolved quantum Hall edge states by near-field scanning optical microscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, S. Mamyouda, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Nomura, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: The 20th international conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Mapping of spin-resolved quantum Hall chiral edge channels (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology
  • 発表場所: Atsugi, Japan
• [学会発表] Near-field scanning optical microscope imaging of spin-resolved quantum Hall chiral edge states (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Nomura, S. Mamyouda, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology
  • 発表場所: Kauai, USA
• [学会発表] Near-field scanning optical microscopy for investigation of quantum Hall chiral edge state (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Mamyouda, T. Ohira, L. Yoshikawa, H. Ito, Y. Shibata, Y. Ootuka, S. Nomura, S. Kashiwaya, M. Yamaguchi, H. Tamura and T. Akazaki
  • 学会等名: 2nd DYCE-ASIA Workshop
  • 発表場所: Kashiwa, Japan
• [学会発表] 量子ホール系カイラルエッッジ状態の空間分解分光研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野村晋太郎
  • 学会等名: 第11回 集中連携研究会「時間反転対称性を破る超伝導体の新奇界面現象」
  • 発表場所: 京都大学、京都市
• [学会発表] アルミニウムトンネル型単一微小ジョセフソン接合の特異な輸送特性研究」 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐久間大輔，田野佑典，石黒亮輔，柏谷聡，野村晋太郎，高柳英明
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 徳島大学、徳島市
• [学会発表] 近接場光学顕微鏡を用いたスピン分裂量子ホール端状態の観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 間明田周平，柴田祐輔，伊藤宙陛，柏谷聡，山口真澄，田村浩之，赤崎達志，大塚洋一，野村晋太郎
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 徳島大学、徳島市
• [学会発表] スピン分裂した量子ホール系カイラルエッジ状態の光学的検出 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野村晋太郎
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジカル量子現象」第４回 領域研究会
  • 発表場所: 名古屋大学、名古屋市
• [学会発表] Sr2RuO4中の半整数量子渦検出に向けたマイクロ SQUIDの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 永合祐輔、土屋翔吾、篠崎智也、石黒亮輔、柏谷裕美、柏谷聡、野村晋太郎、高柳英明、前野悦輝
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジカル量子現象」第４回 領域研究会
  • 発表場所: 名古屋大学、名古屋市
• [備考] Nomura Laboratory, University of Tsukuba
  • URL: http://www.px.tsukuba.ac.jp/~snomura/
• [備考] 世界初、円偏光近接場光学顕微鏡を用いてナノメートルスケールの領域へのスピン注入に成功
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201503091400.html
• [備考] Nomura Laboratory, University of Tsukuba
  • URL: http://www.px.tsukuba.ac.jp/home/ecm/snomura/lab/