研究課題
量子ホール系における電子スピン偏極率を実験的に決定するためには、核磁気共鳴におけるナイトシフト測定を行うことが最も直接的な手法である。今年度の研究においては、量子ホール効果ブレークダウンを利用した動的核スピン偏極と抵抗検出型核磁気共鳴の手法を実現した。さらには抵抗検出型核磁気共鳴を用いたナイトシフト測定を実現するとともに、核スピン量子状態をコヒーレントに制御することにも成功した。奇数整数量子ホール状態において二次元電子系に印加する電流値を増大すると、ある臨界電流値以上において有限の縦電圧が生じる。これは量子ホール効果ブレークダウンと呼ばれる現象である。この量子ホール効果ブレークダウンにおいては電子が高エネルギー側のランダウ準位へ励起されるため、奇数整数量子ホール状態においては電子スピンの反転を伴うことになる。その結果、電子スピン-核スピン相互作用を通じて核スピンが動的に偏極する。実際、縦電圧値のヒステリシスや時間変化という形で動的核スピン偏極が検出された。さらに高周波磁場を印加することにより、抵抗検出型核磁気共鳴が実現できた。また、高周波磁場を印加する際の電子系の電子濃度をショットキーゲートを用いて制御することにより、核磁気共鳴周波数が電子系のランダウ準位充填率に、応じて変化する様子が観測された。この実験からナイトシフトの大きさが求まるため、電子スピン偏極を実験的に決定することができる。また、高周波磁場をパルス的に印加することにより、核スピンのラビ振動が明瞭に観測された。これは核スピン量子状態のコヒーレントな時間発展に相当する。
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