| 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, 工学(系)研究科(研究院), 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 / エントロピー / 量子情報 / 熱輸送 / 量子多体系 |
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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主たる舞台として、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。実験面では、量子液体の非平衡ダイナミクスの解明に成功した。本研究によって、近藤状態においては、一粒子の伝導過程だけではなく、二個の粒子が関与する伝導過程もあり、それによって電流ゆらぎが通常の値よりも増大することが分かった。この電流ゆらぎから、量子液体を特徴づける量（ウィルソン比）を求めることができ、量子ドットが極めて強い量子多体状態にあることを実証した。さらに、これまでに知られていなかった非平衡スケーリング則を実験的に確立した。これ以外にも、量子ホール状態にあるグラフェンpn接合で起こる電子分配の微視的特性を初めて定量的に確立した。また、理論面では、分担者の沙川は、以下の結果を得ている。（１）情報熱力学を大腸菌のシグナル伝達に応用し、情報流と適応の頑健性の関係を明らかにした。（２）情報熱力学に対する「測定・フィードバック」と「情報浴」という二つの異なるアプローチを統一する理論を定式化した。（３）非自律的な測定とフィードバックの情報熱力学を量子ドットで実現する方法を提案した。分担者の齊藤は、量子孤立系での熱化現象について考察した他、熱環境にあるブラウン粒子を使って熱機関を構成したときの仕事及び熱浴への熱流に関して、線形応答理論を構築した。それにより、仕事率と熱効率に関する一般的な不等式などを導出した。
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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
後で量子液体の非平衡ダイナミクスを解明できたことは学術的に優れた成果であると考えている。この成果は、非平衡状態にある量子多体系を定量化する、という本研究計画の目的に完全に合致するものであり、また、Nature Physics誌に出版された。また、端状態についての微視的な解明が出来たことも重要な成果である（Nature Comm誌に掲載された）。理論面においても、情報熱力学と輸送現象について、一般的な理論から実験提案まで、多くの成果を得た。これらは主に古典の領域に限られているが、量子系の場合を解析するための基礎となるものである。以上のようにすでに多くの成果が得られており、当初の計画以上に進展していると判断される。
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| 今後の研究の推進方策 |
現時点において、当初の予定以上に極めて順調に、研究活動を継続していると考えているため、この流れを維持しつつ、ゆらぎの研究の深化を図っていく。代表者は、電流ゆらぎ測定手法を、非平衡系量子系においてスピンがあらわに顔を出すような伝導（アンドレーフ反射、近藤効果）などに適用する。特に、現在、超伝導状態におけるゆらぎについて調査中であり、高精度なゆらぎ測定手法が成功したことにより、大きな進展を見ている。今後は、その成果をさらに拡張するために、ゆらぎの定理や精密エネルギー分光に基づいた詳細なゆらぎの解析を行っていく。理論的には、量子熱機関における観測の効果のより深い理解を目指して、連続測定の熱ゆらぎへの影響を研究する。また、本研究課題である量子輸送と情報熱力学を結びつけるため、これまで古典系について得られた結果を拡張する。とくに、確率マスター方程式などの手法を使うことで、古典系から量子系に自然に拡張を行えると考えられる。
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| 備考 |
Ito and Sagawa, Nature Comm論文(2015)について、一般報道（紙媒体）：科学新聞（2015年7月17日）および、一般報道（電子媒体）：マイナビニュース（2015年6月26日），財経新聞（2015年7月5日）。
受賞：平成27年7月14日、第4回（平成27年度）大阪大学総長顕彰・研究部門、大阪大学（受賞者名：小林研介）
アウトリーチ活動：計5件
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