非平衡量子系の輸送ダイナミクス

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立
• 研究課題/領域番号: 25103003
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小林 研介 大阪大学, 理学研究科, 教授 (10302803)
• 研究分担者: 沙川 貴大 東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (60610805) ; 齊藤 圭司 慶應義塾大学, 理工学部, 准教授 (90312983)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 非平衡雑音 / ゆらぎ / スピン流 / エントロピー / 量子情報 / 熱輸送

研究概要

近年、微細加工技術が発展したおかげで、我々は、量子的な電気伝導が支配的であるような極小の固体量子素子を作ることができるようになった。このような固体量子素子は、平衡状態から非平衡状態までを連続的に制御できるため、非平衡量子系を定量的に取り扱える理想的な舞台の一つである。我々は、固体量子素子を舞台として、非平衡ダイナミクスを定量的に取り扱う方法論の創出を目指している。
本年度の成果は以下の通りである。（１）高精度電流ゆらぎ測定手法の開発：本研究の中核となるのは、高精度の電流ゆらぎ測定である。本年度、我々は更なる技術開発に取り組み、これまでに開発してきた低温動作可能な増幅器の性能を10倍程度、向上させることに成功した。（２）トポロジカル絶縁体母物質における普遍的伝導度ゆらぎ：近年、トポロジカル絶縁体と呼ばれる物質群が大きな注目を集めている。代表者は、典型的なトポロジカル絶縁体の母物質であるBi2Se3について、弱局在や普遍的伝導度ゆらぎを研究し、量子コヒーレンスに関する基本的なパラメータを得た。（３）スピンショット雑音の観測：スピン流にともなう「スピンショット雑音」と呼ぶことのできる現象が期待される。このことを実験的に検証した。（４）量子系における幾何学的ポンプとエントロピー生成の理論：量子系を外部から周期的に操作した時に、ベリー位相に類似の効果で非平衡カレントが発生することが知られている。沙川らはこれを非平衡定常熱力学に応用した。（５）量子情報を活用した熱機関の理論：沙川らは、量子ディスコートと呼ばれる量子情報量を使って、仕事を取り出すことができる熱機関の理論的提案を行った。（６）絶縁体での熱輸送に見る近藤効果：近年、微小系を流れる熱を操作する研究が盛んになってきている。齊藤らは、分子ワイヤーを介した熱輸送を意識して、近藤効果に相当する現象を研究した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

実験的な技術の向上や、スピンショット雑音の観測など、実験面での大きな進展が見られた。また、理論上も、本研究課題の主題に関して、顕著な進展があった。

今後の研究の推進方策

本研究課題が昨年度順調に進展したことから、今後も、当初計画通り、遂行する。計画遂行上の問題点は無い。今後は、電荷とスピンに関するゆらぎや、絶縁体での熱輸送、量子情報を活用した熱機関の理論の構築などを行う。

研究成果

• [雑誌論文] Thermodynamic and Logical Reversibilities Revisited (2014)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 雑誌名: Journal of Statistical Mechanics 巻: 巻号表記無し ページ: P03025/1-33
  • DOI: 10.1088/1742-5468/2014/03/P03025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryogenic amplifier for shot noise measurement at 20 mK (2013)
  • 著者名/発表者名: Tomonori Arakawa, Yoshitaka Nishihara, Masahiro Maeda, Shota Norimoto, and Kensuke Kobayashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 172104/1-4
  • DOI: 10.1063/1.4826681
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Proof of Universal Conductance Fluctuation in Quasi-1D Epitaxial Bi2Se3 Wires (2013)
  • 著者名/発表者名: Sadashige Matsuo, Kensaku Chida, Daichi Chiba, Teruo Ono, Keith Slevin, Kensuke Kobayashi, Tomi Ohtsuki, Cui-Zu Chang, Ke He, Xu-Cun Ma, and Qi-Kun Xue
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 155438/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.155438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distribution of entropy production in a single-electron box (2013)
  • 著者名/発表者名: J. V. Koski, T. Sagawa, O-P. Saira, Y. Yoon, A. Kutvonen, P. Solinas, M. Mottonen, T. Ala-Nissila, J. P. Pekola
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 9 ページ: 644-648
  • DOI: 10.1038/nphys2711
  • 査読あり
• [雑誌論文] Geometrical Excess Entropy Production in Nonequilibrium Quantum Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Tatsuro Yuge, Takahiro Sagawa, Ayumu Sugita, Hisao Hayakawa
  • 雑誌名: Journal of Statistical Physics 巻: 153 ページ: 412-441
  • DOI: 10.1007/s10955-013-0829-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kim et al. Reply: (2013)
  • 著者名/発表者名: Sang Wook Kim, Kang-Hwan Kim, Takahiro Sagawa, Simone De Liberato, Masahito Ueda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 188902/1
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.188902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Information Thermodynamics on Causal Networks (2013)
  • 著者名/発表者名: Sosuke Ito, Takahiro Sagawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 180603/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.180603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heat Engine Driven by Purely Quantum Information (2013)
  • 著者名/発表者名: Jung Jun Park, Kang-Hwan Kim, Takahiro Sagawa, Sang Wook Kim
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 230402/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.230402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of mutual information in entropy production under information exchanges (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa, Masahito Ueda
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 15 ページ: 125012/1-23
  • DOI: 10.1088/1367-2630/15/12/125012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kondo signature in heat transfer via a local two-state system (2013)
  • 著者名/発表者名: Keiji Saito and Takeo Kato
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 214301/1-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.214301
  • 査読あり
• [学会発表] 高移動度二次元電子系に作製された量子細線における電流揺らぎの測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西原禎孝、小野輝男、荒川智紀、田辺賢士、田中崇大、則元将太、小林研介、Thomas Ihn、Clemens Rossler、Klaus Ensslin
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] スピンショット雑音の観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 荒川智紀、塩貝純一、M. Ciorga、D. Schuh、好田誠、新田淳作、D. Bougeard、D. Weiss、小野輝男、小林研介
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] マグノンホール効果の検出の試みIV (2014)
  • 著者名/発表者名: 田辺賢士、松本遼、大江純一郎、村上修一、森山貴広、千葉大地、小林研介、小野輝男
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] スピングラス薄膜における電気測定の試み (2014)
  • 著者名/発表者名: 前田正博、田中浩奈、竹下俊平、田辺賢士、荒川智紀、谷口年史、小林研介
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] InGaAs/InAlAsダブルヘテロ量子井戸基板上のメゾスコピックループアレイにおける量子補正項の定量的解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤田淳、古賀貴亮、小林研介、川畑史郎、齊藤圭司、関根佳明、杉山弘樹
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] トンネル磁気抵抗素子におけるショット雑音の膜圧依存性II (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中崇大、荒川智紀、前田正博、西原禎孝、小野輝男、小林研介、野崎隆行、福島章雄、湯浅新治
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 量子ドットアハロノフ・ボーム干渉計における揺らぎの定理と熱電効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 内海裕洋、D. S. Golubev、小林研介
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] コルビノ円板における非平衡量子ホール効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 秦徳郎、田中崇大、荒川智紀、田辺賢士、小林研介、松尾貞茂、西原禎考、小野輝男
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] pn接合を用いたグラフェン量子ホールエッジ状態のカイラリティ制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 松尾貞茂、森山貴広、小野輝男、小林研介、小松克伊、中払周、塚越一仁
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 二準位系を介した熱輸送における近藤効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤岳生、齊藤圭司
  • 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（神奈川）
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 情報処理過程における熱力学第二法則 (2014)
  • 著者名/発表者名: 沙川貴大
  • 学会等名: 計測自動制御学会第一回制御部門マルチシンポジウム(MSCS2014)
  • 発表場所: 電気通信大学（東京）
  • 年月日: 20140304-20140307
  • 招待講演
• [学会発表] メゾスコピック系におけるスピン流とそのゆらぎ (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 新学術領域「ゆらぎと構造」第1回領域研究会
  • 発表場所: KKRホテル熱海（静岡）
  • 年月日: 20131225-20131227
• [学会発表] Fluctuation Theorem with Information Exchange (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 学会等名: Solvay Workshop on "Thermodynamics of Small Systems"
  • 発表場所: Université libre de Bruxelles, Brussels (Belgium)
  • 年月日: 20131202-20131204
  • 招待講演
• [学会発表] 固体素子における非平衡ゆらぎ (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 第7回物性科学領域横断研究会（領域合同研究会）
  • 発表場所: 東京大学武田先端知ビル（東京）
  • 年月日: 20131201-20131202
• [学会発表] スピンショット雑音 (2013)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 平成25年度東北大プロジェクト研究会「非平衡スピン・ゆらぎの精緻な制御と観測による新規ナノデバイスの開拓研究」
  • 発表場所: ベルサンピアみやぎ泉（宮城）
  • 年月日: 20131031-20131101
  • 招待講演
• [学会発表] Role of Mutual Information in Entropy Production under Information Exchanges (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 学会等名: East Asia Joint Seminars on Statistical Physics (EAJS-SP2013)
  • 発表場所: 京都大学（京都）
  • 年月日: 20131021-20131024
  • 招待講演
• [学会発表] Semiclassical simulation of time-reversal quantum interference in mesoscopic loop arrays in the presence of spin-orbit interaction (2013)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Koga, Atsushi Sawada, Shunsuke Mineshige, Sebastien Faniel, Shiro Kawabata, Keiji Saito, Kensuke Kobayashi, Hiroki Sugiyama, and Yoshiaki Sekine
  • 学会等名: First Dynamics Days Central Asia
  • 発表場所: Samarkand (Uzbekista)
  • 年月日: 20131011-20131013
  • 招待講演
• [学会発表] Current Fluctuation in Quantum Transport (2013)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: Workshop on "Nanoscience: Materials Phenomena at the Small Scale
  • 発表場所: NIMS（つくば・茨城）
  • 年月日: 20131009-20131011
  • 招待講演
• [学会発表] 二次元正孔系に作製された量子細線における電流揺らぎの測定II (2013)
  • 著者名/発表者名: 西原禎孝、小野輝男、前田正博、荒川智紀、田中崇大、則元将太、小林研介、Y. Komijani、K. Ensslin、D. Reuter、A. D. Wieck
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] 単一メソスコピックループにおける時間反転干渉の半古典ビリヤード解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古賀貴亮、澤田淳、川畑史郎、小林研介、関根佳明、杉山弘樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] コルビノ型円板における量子ホール効果ブレークダウンの発現機構 (2013)
  • 著者名/発表者名: 知田健作、松尾貞茂、秦徳郎、荒川智紀、西原禎孝、田中崇大、小林研介、千葉大地、町田友樹、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] コルビノ円板における量子ホール効果ブレークダウンの観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 秦徳郎、田中崇大、荒川智紀、田辺賢士、小林研介、知田健作、松尾貞茂、西原禎考、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] 電流ゆらぎ測定系に用いる低温アンプの改良 (2013)
  • 著者名/発表者名: 荒川智紀、前田正博、則元将太、田中崇大、田辺賢士、小林研介、西原禎考、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] バリスティック検出器を用いた磁気渦コアの極性検出の試み (2013)
  • 著者名/発表者名: 田中崇大、荒川智紀、田辺賢士、小林研介、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] パルス磁場を用いた楕円盤におけるVortex Coreの極性反転 2 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山田啓介、佐藤知徳、仲谷栄伸、葛西伸哉、千葉大地、小林研介、Andre Thiaville、小野輝男
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学（徳島）
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] 細線状のBi2Se3 における伝導度揺らぎの研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 松尾貞茂、知田健作、千葉大地、小野輝男、Keith Slevin、小林研介、 大槻東巳、Cui-Zu Chang、Ke He、Xu-Cun Ma、Qi-Kun Xue
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 同志社大学京田辺キャンパス（京都）
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] パルス磁場を用いた楕円盤におけるVortex Coreの極性反転 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐藤知徳、山田啓介、仲谷栄伸、葛西伸哉、千葉大地、小林研介、Andre Thiaville、小野輝男
  • 学会等名: 第37回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学工学部（北海道）
  • 年月日: 20130902-20130906
• [学会発表] Second law of thermodynamics with the QC-mutual information (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 学会等名: Summer Workshop on "Physics, Mathematics, And All That Quantum Jazz"
  • 発表場所: 近畿大学（大阪）
  • 年月日: 20130807-20130809
  • 招待講演
• [学会発表] Universal Conductance Fluctuation in quasi-1D wires of Epitaxial Bi2Se3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Sadashige Matsuo, Tomohiro Koyama, Kensaku Chida, Masaki Nagata, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Keith Slevin, Tomi Ohtsuki, Cui-zu Chang, Ke He, Xu-cun Ma, and Qi-kun Xue
  • 学会等名: VietNam 2013, IXth Rencontres du Vietnam, Nanophysics: from fundamentals to applications (the return)
  • 発表場所: ICISE, Quy-Nhon (Vietnam)
  • 年月日: 20130804-20130810
• [学会発表] Experimental Test of Fluctuation Theorem in Quantum Regime (2013)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: Frontiers of Quantum and Mesoscopic Thermodynamics 2013 (FQMT'13)
  • 発表場所: Pyramida Hotel, Prague (Czech Republic)
  • 年月日: 20130729-20130803
  • 招待講演
• [学会発表] Fluctuation Theorem in a Quantum Coherent Conductor (2013)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: the 25th International Conference on Statistical Physics of the International Union for Pure and Applied Physics (IUPAP) (StatPhys25)
  • 発表場所: Seoul National University, Seoul (Korea)
  • 年月日: 20130722-20130726
  • 招待講演
• [学会発表] Work fluctuation theorem for a classical circuit coupled to a quantum conductor (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Utsumi, D. S. Golubev, M. Marthaler, Gerd Schon, and K. Kobayashi
  • 学会等名: the 25th International Conference on Statistical Physics of the International Union for Pure and Applied Physics (IUPAP) (StatPhys25)
  • 発表場所: Seoul National University, Seoul (Korea)
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] Fluctuation theorem for information exchanges (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 学会等名: the 25th International Conference on Statistical Physics of the International Union for Pure and Applied Physics (IUPAP) (StatPhys25)
  • 発表場所: Seoul National University, Seoul (Korea)
  • 年月日: 20130722-20130726
  • 招待講演
• [学会発表] Imitating Chemical Motors with Information Motors (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Sagawa
  • 学会等名: 2013 Taiwan International Workshop on Biophysics and Complex Systems
  • 発表場所: National Taiwan University, Taipei (Taiwan)
  • 年月日: 20130717-20130720
  • 招待講演
• [学会発表] Investigation of billiard cutoff length and decoherence time in mesoscopic loop array with finite spin-orbit interaction (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Sawada, T. Koga, K. Kobayashi, S. Kawabata, Y. Sekine, and H.Sugiyama
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC12)
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉）
  • 年月日: 20130714-20130719
• [学会発表] Thermodynamic bounds of efficiency for systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Keiji Saito
  • 学会等名: The 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC12)
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉）
  • 年月日: 20130714-20130719
• [学会発表] Universal conductance fluctuation in quasi-1D wires of epitaxial Bi2Se3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Sadashige Matsuo, Tomohiro Koyama, Kensaku Chida, Masaki Nagata, Daichi Chiba, Kensuke Kobayashi, Teruo Ono, Keith Slevin, Tomi Ohtsuki, Cui-zu Chang, Ke He, Xu-cun Ma, and Qi-kun Xue
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Warsaw University of Technology, Warsaw (Poland)
  • 年月日: 20130701-20130705
• [学会発表] Shot noise of a quantum point contact on a two-dimensional hole gas (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishihara, K. Chida, T. Arakawa, S. Matsuo, T. Tanaka, K. Kobayashi, T. Ono, Y. Komijani, T. Ihn, K. Ensslin, D. Reuter, and A. D. Wieck
  • 学会等名: 20th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-20)
  • 発表場所: Warsaw University of Technology, Warsaw (Poland)
  • 年月日: 20130701-20130705
• [学会発表] 『ゆらぎ』から分かること：人工量子系における非平衡量子輸送
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 財団法人井上科学振興財団・第16回久保記念シンポジウム
  • 発表場所: 学士会館（東京）
  • 招待講演
• [学会発表] 固体素子における非平衡電流ゆらぎ
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 第69回年次大会物理学会、シンポジウム企画「量子・生命・ソフトマターにおける動的揺らぎの普遍法則の現在と未来」
  • 発表場所: 東海大学（神奈川）
  • 招待講演
• [学会発表] 情報交換プロセスにおけるゆらぎの定理
  • 著者名/発表者名: 沙川貴大
  • 学会等名: 第69回年次大会物理学会、シンポジウム企画「量子・生命・ソフトマターにおける動的揺らぎの普遍法則の現在と未来」
  • 発表場所: 東海大学（神奈川）
  • 招待講演
• [備考] 大阪大学量子多体制御グループ（物理学専攻小林研究室）のホームページ
  • URL: http://meso.phys.sci.osaka-u.ac.jp/
• [備考] 沙川貴大のホームページにようこそ！
  • URL: http://www.taksagawa.com/
• [備考] Keio University: Keiji Saito
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/faculty/ksaito/syousai/index-saito.html
• [備考] 新学術領域研究「ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立」 のホームページ
  • URL: http://sfs-dynamics.jp/