量子ホール系におけるエッジ状態とトポロジカル励起の研究

• 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: 25103722
• 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: 兵庫医科大学
• 研究代表者: 福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (70360633)
• 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: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2014年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2013年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 量子ホール効果 / エッジ状態 / スピン拡散 / ２層系 / トポロジカル励起 / グラフェン

研究実績の概要

量子ホール状態、特に２次元電子系を２枚近接配置した２層系を中心に、さまざまなトンネリング・エネルギーを持つ試料でランダウ準位占有率νを変化させ、電気伝導測定やマイクロ波による共鳴現象の観測を通して、エッジ状態での電子の散乱機構とエッジの動的変化過程、および半量子渦対や磁気ロトン、スカーミオンなどの量子ホール系特有のトポロジカルな励起状態の特定とその生成・消滅機構を解明する。
本年度は、高移動度GaAs量子井戸構造試料を用いて、量子ホール領域における２次元電子系のエッジ状態のダイナミクスを明らかにすべく、動的核スピン偏極（DNP）の周波数依存性の測定及び解析を行った。その結果、DNP電流の周波数が低い直流に近い領域では、一度上昇した磁気抵抗が再び減少するという新奇な現象を発見した。このことは、エッジ状態およびドメイン構造が時間変化する中で、周波数に依存してドメインおよびエッジが分離・再結合のプロセスを複雑に繰り返していることを示唆する結果である。このことをさらに明確化するため、ホールバー構造だけでなくコルビノ構造の電極パターンを形成して試料を作成し、試験を行った。
また、同様の実験を、新奇な２次元電子系であるグラフェンを用いて行うため、単層および２層のグラフェンのデバイス化を行った。その結果、グラフェンの電気伝導度は、表面に吸着した分子吸着の効果が極めて強く、分子吸着状態でのエッジ状態やトポロジカル励起の研究が次の段階として待たれる極めて興味深い結果となった。

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] Effect of the Inert Gas Adsorption on the Bilayer Graphene to the Localized Electron Magnetotransport (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, Y. Ohno and K. Matsumoto
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 568 号: 5 ページ: 052009-052009
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/5/052009
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-frequency ESR measurements and ESR/NMR double resonance experiments of lightly phosphorous-doped silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Y Fujii, S Mitsudo, K Morimoto, T Mizusaki, M Gwak, SG Lee, A Fukuda, A Matsubara, T Ueno and S Lee
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 568 号: 4 ページ: 042005-042005
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/4/042005
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interlayer Diffusion of Nuclear Spin Polarization in ν= 2/3 Quantum Hall States (2014)
  • 著者名/発表者名: Minh-Hai Nguyen, Shibun Tsuda, Daiju Terasawa, Akira Fukuda, Yangdong Zheng, and Anju Sawada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.041403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-Pseudospin Intertwined Excitation at ν=1 Bilayer Quantum Hall State Investigated by the Nuclear-Spin Relaxation (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, D. Terasawa, M. H. Nguyen, A. Fukuda, Y. D. Zheng, T. Arai, A. Sawada, Z. F. Ezawa
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1566 ページ: 269-270
  • DOI: 10.1063/1.4848389
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlayer Transport of the Nuclear Spin Polarization in ν=2/3 Quantum Hall States (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, M. H. Nguyen, D. Terasawa, A. Fukuda, Y. D. Zheng, T. Arai and A. Sawada
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1566 ページ: 293-294
  • DOI: 10.1063/1.4848401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nuclear spin relaxation in the SU(4) spin-pseudospin intertwined skyrmion regime in theν=1 bilayer quantum Hall state (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, M-H. Nguyen, D. Terasawa, A. Fukuda, Z.F. Ezawa, and A. Sawada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88, 205103 号: 20 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.205103
  • 査読あり
• [学会発表] グラフェンにおける抵抗振動と弱局在効果との関係 (2015)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹，福田昭，藤元章，大野恭秀，松本和彦
  • 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] チタンクリーニングされたグラフェンにおける弱局在効果のゲート電圧依存性と温度依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤元章，Corey Joiner，Yuxuan Jiang，寺澤大樹，福田昭，Zhigang Jiang，Eric Vogel
  • 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] 希薄ドープSi:Pの超低温・高周波ESR (2015)
  • 著者名/発表者名: 森本和也，藤井裕，光藤誠太郎，水崎隆雄，菊池彦光，福田昭，松原明，上野智弘，山森英智，SangGap Lee，Minchan Gwak，Soonchil Lee，Sergey Vasiliev
  • 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] Low Frequency Dynamics of the Chiral Edge Domains in the Fractional Quantum Hall State (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, S. Tsuda, D. Terasawa, A. Sawada
  • 学会等名: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2014)
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 2014-12-16 – 2014-12-20
• [学会発表] High-Frequency ESR Measurements of Shallow Doped Si:P at Low Temperatures and Their Extension to Lower Temperatures for High μBB/kBT (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Morimoto, Y. Fujii, S. Mitsudo, T. Mizusaki, H. Kikuchi, A. Fukuda, A. Matsubara, T. Ueno, M. Gwak, S.G. Lee, S. Lee, T. Saito and S. Vasiliev
  • 学会等名: APES2014, IES and SEST2014 (APES-IES-SEST2014)
  • 発表場所: Nara
  • 年月日: 2014-11-12 – 2014-11-16
• [学会発表] チタンクリーニングされたグラフェンの弱局在効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤元章，Corey Joiner，Yuxuan Jiang，寺澤大樹，Tania Roy，Zohreh Razavi Hesabi，福田昭，Zhigang Jiang，Eric Vogel
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Resistance maxima and deviations from the quantized Hall value induced by dynamic nuclear polarization around ν=2/3 (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Terasawa, S. Tsuda, S. Mitani, Minh Hai N., A. Fukuda and A. Sawada
  • 学会等名: 32nd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2014)
  • 発表場所: Austin（アメリカ）
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Low Temperature Anomalies of Resistance in Titanium-Cleaned Single Layer Graphene (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fujimoto，C. A. Joiner, Y. Jiang, T. Roy, Z. R. Hesabi, D. Terasawa, A. Fukuda, Z. Jiang, E. M. Vogel
  • 学会等名: 32nd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2014)
  • 発表場所: Austin（アメリカ）
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Effect of the Inert Gas Adsorption on the Bilayer Graphene to the Localized Electron Magnetotransport (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, Y. Ohno and K. Matsumoto
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Direct Current Nuclear Spin Polarization in the Fractional Quantum Hall Effect (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, S. Tsuda, D. Terasawa and A. Sawada
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] High-Frequency ESR Measurements and ESR/NMR Double Resonance Experiments of Lightly Phosporous-doped Silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujii, S. Mitsudo, K. Morimoto, T. Mizusaki, M. Gwak, S.G. Lee, A. Fukuda, A. Matsubara, T. Ueno and S. Lee
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Incompressible Motion and Enhanced Dsissipation in a Classical Two-dimensional Electron System (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, S. Yamanaka, A. Sawada, A. Fukuda and H. Yayama
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] 2層グラフェンの磁気抵抗値の4He吸着による変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹，福田昭，大野恭秀，松本和彦
  • 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
• [学会発表] Magnetotransport of the 4He-Adsorbed Bilayer Graphene (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, Y. Ohno and K. Matsumoto
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Transition from weak localization to strong localization regime in the bilayer graphene (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Terasawa, A. Fukuda, Y. Ohno, and K. Matsumoto
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Current Frequency Dependence of the Resistance Enhancement in the ν = 2/3 Quantum Hall State (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, A. Fukuda, S. Mitani , Minh Hai N., D. Terasawa and A. Sawada
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Insulating Phase in the Dynamically Nuclear Spin Polarized ν=2/3 Quantum Hall State (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, A. Fukuda, M. H. Nguyen, D. Terasawa and A. Sawada
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Anomalous electric transport induced by dynamic nuclear polarization at the vicinity of ν=2/3 quantum Hall state (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda, D. Terasawa, S. Mitani, Minh Hai N., A. Fukuda, and A. Sawada
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Wroclow, Poland
• [学会発表] Phase Transition from Quantum Hall State to Insulator State Evoked from Nuclear Polarization by Current Pumping (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuda S. Mitani, M. H. Nguyen, A. Fukuda, D. Terasawa, and A. Sawada
  • 学会等名: Collaborative Conference on 3D and Materials Research (CC3DMR 2013)
  • 発表場所: Jeju, Korea
• [学会発表] Kosterlitz-Thouless-type pseudospin transition in the ν = 1 bilayer quantum Hall state (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, T. Morikawa, Y. D. Zheng, and A. Sawada
  • 学会等名: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries 2013
  • 発表場所: Ginowan
• [学会発表] Spin relaxations in SU(4) Skyrmions in the bilayer quantum Hall system (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Terasawa, S. Tsuda, A. Fukuda, and A. Sawada
  • 学会等名: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries 2013
  • 発表場所: Ginowan
• [学会発表] 直流電流による量子ホール状態ν=2/3の状態変化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 津田是文，三谷昌平，Nguyen Minh-Hai，寺澤大樹，福田昭，澤田安樹
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] 2層グラフェンの低温における磁気抵抗の振動と弱局在効果 (2013)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹，福田昭，大野恭秀，松本和彦
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
• [学会発表] 2層系量子ホール状態における層間核スピン輸送 (2013)
  • 著者名/発表者名: Minh-Hai Nguyen、寺澤大樹、津田是文、福田昭、澤田安樹
  • 学会等名: 第18回 半導体スピン工学の基礎と応用 (PASPS-18)
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 量子ホール系におけるエッジ状態とトポロジカル励起の研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 福田昭
  • 学会等名: 新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第13回集中連携研究会「トポロジカル電子流体の新奇現象」
  • 発表場所: 岡山大学
• [学会発表] Spin relaxation of SU(4) skyrmions in the bilayer ν=1 quantum Hall states (2013)
  • 著者名/発表者名: Akira Fukuda, Shibun Tsuda, Daiju Terasawa, Zyun F. Ezawa and Anju Sawada
  • 学会等名: 新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系における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
• [備考] 兵庫医科大学｜物理学
  • URL: http://www.hyo-med.ac.jp/faculty/course/physics.html
• [備考] 公募研究メンバー｜メンバー｜対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
  • URL: http://www.topological-qp.jp/member/spmember.html
• [備考] 「トポロジカル量子」領域HP(日本語)
  • URL: http://www.topological-qp.jp/
• [備考] 「トポロジカル量子」領域HP(英語)
  • URL: http://www.topological-qp.jp/english/index.html
• [備考] 兵庫医科大学 物理学
  • URL: http://www.hyo-med.ac.jp/faculty/course/physics.html