| 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 |
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| 研究課題/領域番号 |
25103003
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
小林 研介 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (10302803)
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| 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)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| 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 |
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| 研究実績の概要 |
微細加工技術によって作製される極小の固体素子においては、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である。我々の班では、このような固体素子を舞台として、非平衡ダイナミクスを取り扱う方法論の創出を目指している。
小林らは、トンネル接合にスピン流を印加し、それに伴うショット雑音の検出に成功した。この成果は、スピン流が実体として存在することを、ゆらぎという観点から示したことになっている。また、量子ドット系において、近藤効果を実現し、量子液体の非平衡における振る舞いを定量的に解明した。また、典型的な非平衡伝導の舞台となっている、量子ホール効果ブレークダウン領域における揺らぎの検出や、スピングラスの揺らぎについても研究を進めた。
齊藤は、熱の流入が電流に変換されるいわゆる熱電効果における時間反転対称性の破れの効果、および低次元熱輸送現象におけるカーダー=パリージ=ザンのダイナミクスの重要性などを研究した。前者では磁場が存在してはじめて生じるネルンスト効果に注目し、電子間に相互作用がない状況下での厳密な熱効率の上限を導いた。後者では大規模な数値計算のもとに、理論とデータの比較を理論の検証をおこなった。
量子非平衡ダイナミクスにおいてエントロピー生成をどう定義すべきかは、熱力学第二法則に関する基本的な問題である。沙川らは従来理論的に提案されていた二つの定義（量子軌道を用いた定義と、量子相対エントロピーを用いた定義）が等価であることを証明した。また、フィンランドのグループとの共同研究により、単一電子箱を用いて、フィードバック制御により情報を仕事に変換する情報熱機関を実験的に実現し、相互情報量を含んだ形の一般化Jarzynski等式を検証した。これによって、情報処理を含む非平衡ダイナミクスの従う基本原理が実験的に検証されたと言える。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
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、熱電効果、量子エントロピー、情報熱機関などを多彩に取り扱い、本質的に顕著な進展があった。
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| 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、量子液体における非平衡ゆらぎの精密測定を行い、熱電効果の理論とその実験的検証、情報熱機関の実現などを行う。
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| 備考 |
受賞：平成26年7月8日、第3回大阪大学総長顕彰・研究部門、大阪大学（受賞者氏名：小林研介）
アウトリーチ（小林研介）：高校生、一般を対象にした模擬授業・研究室公開を計6回開催（2014/8/5, 8/6, 8/12, 10/25, 11/15, 11/22)
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