| 研究領域 | トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア |
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| 研究課題/領域番号 |
15H05854
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| 研究分担者 |
村木 康二 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 上席特別研究員 (90393769)
好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
野村 健太郎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (00455776)
江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
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| 研究期間 (年度) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| キーワード | トポロジカル物質 / ナノ構造 / 電子輸送 |
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| 研究実績の概要 |
本計画研究「トポロジカル物質ナノ構造の輸送現象」では、半導体ヘテロ構造・低次元ナノ構造や超伝導体・強磁性体のハイブリッド構造等によるトポロジカル物質ナノ構造を用い、新奇なトポロジカル量子現象を引き出し、トポロジカル系に特有なエキゾチックな準粒子の振る舞いを明らかにすることを目的としている。トポロジーとナノ構造により制限された自由度の下で、対称性・相互作用・近接効果が生む相乗効果により、特異な量子現象やエキゾチックな準粒子の発現、トポロジカル物質ナノ構造デバイスの基礎原理の提案、原理実証を目指すとともに、新学術領域内での連携により、トポロジカル量子相転移、トポロジカル超伝導、ワイル半金属、マヨラナ準粒子などの研究を発展させる。これらにより、トポロジカル物質科学の基礎学理の構築と学問体系の樹立を目指す本新学術領域「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」の目的遂行に貢献する。
Ｈ３０年度は以下の研究を推進した。量子ホール系においては、朝永ラッティンジャー流体の準安定非平衡状態を明らかにし、エッジチャネルにおける弾道輸送・LOフォノン散乱・電子電子散乱などを調べた。また、良好な超伝導接合が期待されるInAs整数量子ホール系において、逆走エッジ電流の存在を明らかにした。分数量子ホール系で、占有率2/3の分数エッジの電子-正孔対称な系として、占有率1と1/3の微小接合を調べた。量子スピンホール系では、キャパシタンス測定からトポロジカル転移の変化を詳細に調べた。さらに、磁気輸送測定や光学測定からスピン軌道相互作用の精密制御や高感度検出法を確立した。理論研究においては、ワイル半金属の磁壁に関して、磁壁による磁気抵抗効果を調べた。さらに、LC電気回路を用いて高次トポロジカル絶縁体を実装できることを示した。これらの研究により、トポロジカル物質ナノ構造の輸送現象が明らかになりつつある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
［１］量子ホール朝永ラッティンジャー流体の準安定非平衡状態に長く留まる様子を、量子ドット分光測定により明らかにした。可積分モデルの特徴を固体素子で初めて示したものであり、低次元多体電子系の発展性が期待される。［２］量子ホールエッジチャネルにおける弾道輸送・LOフォノン散乱・電子電子散乱などを量子ポイント接合によるエネルギー分光により調べた。［３］量子スピンホール系のキャパシタンス測定から、スピン軌道相互作用によってトポロジカル転移の位置や性質が大きく影響を受けることを示した。［４］良好な超伝導接合が期待されるInAs整数量子ホール系において、逆走エッジ電流の存在を示し、その緩和長の磁場依存性を明らかにした。GaAs系では2/3分数エッジの電子-正孔対称な系として、占有率1と1/3の微小接合を調べた。［５］物質のトポロジカル物性を制御する上でスピン軌道相互作用を理解することは重要である。磁気輸送測定や光学測定からスピン軌道相互作用の精密制御や高感度検出法を確立した。さらに、スピン軌道ロッキングを用いたトポロジカルスピン制御法を確立し、高い移動度と強いスピン軌道相互作用の利点を活用した物性開拓を進めている。［６］ワイル半金属の磁壁に関する理論研究を進めた。様々な磁壁配下でその周辺には電荷が集まることを解析計算および数値計算によって示した。磁壁による磁気抵抗効果を磁性ワイル半金属と通常の強磁性金属の２つの場合で検証し、ワイル半金属の磁気抵抗効果が、金属の場合に比べ、不純物や磁壁の幅によらず強固であることがわかった。［７］LC電気回路を用いて高次トポロジカル絶縁体を実装できることを示した。具体的には、コーナー状態がインピーダンス共鳴を用いて実験的に検出できる。この結果、従来は固体物質中で研究されていた様々なトポロジカル相が、電気回路を用いて簡便に研究できることを示している。
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| 今後の研究の推進方策 |
［１］量子ホール朝永ラッティンジャー流体の準安定非平衡状態の寿命と緩和機構を明らかにする。［２］量子ホールエッジチャネルにおいて、所望のエネルギーでの弾道輸送を可能にするため、ホットエレクトロンのLOフォノン散乱の変調を実現する。［３］量子スピンホール系において、スピン軌道相互作用によってトポロジカル転移近傍で生じる新奇電子相をキャパシタンス測定により明らかにする。異なる基板方位を用いることでスピン軌道相互作用を制御し、エッジ伝導緩和長の改善を図る。［４］整数・分数量子スピンホール系では、占有率1と1/3の界面の長さ依存性から境界における準粒子の散乱と伝導メカニズムの詳細を明らかにする。占有率の異なる分数状態界面における準粒子特性を調べる。［５］半導体細線構造を用いてスピン緩和の異方性を電気的に検出すると共に、量子干渉効果と時間分解カー回転測定で得られるスピン緩和時間の本質的な違いを明らかにする。また、基本的なトポロジカル物性でもあるスピン軌道ロッキングを用いた新たなスピン位相制御法に関して理論的な考察を進める。［６］トポロジカル物質ナノ構造における界面輸送現象の理論的研究を行う。トポロジカル物質と磁性体あるいは超伝導体の界面における輸送現象の解析を行う。磁性体との近接効果によって伝導度（抵抗）が磁化の向きによって変化する機能を検証する。また、トポロジカル磁性体と超伝導体の結合系におけるマヨラナ準粒子の輸送現象を調べる。［７］電気回路を用いた更なるトポロジカル相の探索を行う。特に非エルミート・トポロジカル系をLCR回路、オペレーショナル・アンプリファイアー、ダイオードなどを用いて実装する方法を提案する。また、電気回路を用いてマヨラナ粒子をシミュレートする方法を提案し、トポロジカル量子計算の可能性を探る。
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