メゾスコピック系における非線形非平衡輸送

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H00656
• 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)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: メゾスコピック系 / 非平衡 / 非線形 / ゆらぎ / 量子輸送 / 近藤効果 / 量子ホール効果 / 量子計測

研究実績の概要

微細加工技術を駆使して作製される固体素子は、印加電圧によって平衡状態から極端な非平衡状態までを連続的に制御することが可能であり、非平衡量子多体系を定量的に取り扱うことのできる理想的な舞台である。2020年度の主たる成果は以下のとおりである。
[1] 我々は、磁場中における量子ドットの非線形微分伝導度を精密に解析し、近藤効果に特有の三体相関を検出した。得られた結果は、近年の非平衡領域におけるフェルミ液体論とよく整合する。
[2] 磁気トンネル接合（MTJ）へスピン流を注入した場合に生じる非線形発振現象を観測した。マイクロマグネティクスによる数値計算により非線形状態におけるマルチモード発振のメカニズムを解明した。
[3] メゾスコピック系の高精度の非平衡電流ゆらぎ測定のために、自作のGaAs高電子移動度トランジスタ（HEMT）を用いた極低温増幅器を自作した。熱雑音を用いた測定を行い、作製した増幅器が希釈冷凍機温度（0.1~K以下）でのメゾスコピック素子の電流雑音測定に適していることを示した。我々の増幅器は、これまで用いられてきた市販のHEMTを使用して作られた増幅器よりも高精度・高効率な電流雑音測定を可能とする。雑音測定系を用いて、グラフェンにおける量子ホール効果崩壊現象について測定を行った。
[4]ダイヤモンドのNV(窒素空孔)センタは量子力学的な原理に基づいて磁場や温度を精密に測定できる量子センサである。我々はこの技術を、非平衡量子多体系の計測に適用すべく、磁場イメージング温度イメージングの開発を行い、いずれも、数マイクロメートルスケールでのイメージングに成功した。

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

2020年度は、近藤状態における三体相関の理解が進展し、理論との整合性を高い精度で確認することができた。これは本研究開始時の予想以上に進展したものであり、今後の非平衡量子液体の研究に資する定量性と普遍性の高い成果になったと自負している。
また、本研究では「熱流・スピン流検出手法の開発とその適用」を三本柱の一つとしている。雑音測定以外の手法も必要と考え、ダイヤモンドNVセンタを用いた量子計測技術の開発を行ってきた。2020年度は、基本的な測定装置が用意でき、高い精度が得られることがわかった。当初は、もう少し時間がかかると想定していた段階まで進めることができた。
以上により、「当初の計画以上に進展している」との判断に至った。

今後の研究の推進方策

2020年度の成果をもとに、近藤状態における三体相関についての研究を完成させ、論文発表を行いたい。本成果は、非平衡量子液体の実験的・理論的研究に資するものと考えている。
また、これまでに磁気トンネル接合の研究を行い、非線形伝導度について系統的かつ詳細なデータを得ている。磁気トンネル接合は、極めてシンプルな系であり、そこで発現する非線形輸送を理解は普遍的な成果につながると考えている。現在、マグノンの寄与を考慮して実験結果を説明するモデルを構築中であり、今後、それを完成させたい。
磁場や温度を計測する手段としてのダイヤモンドNVセンタの研究をさらに進める。現在、我々の測定系は室温付近に限られているが、今後は、低温での測定を行えるように開発を行い、NVセンタを用いたメゾスコピック系の研究を展開していく。

研究成果

• [国際共同研究] パリ南大学/パリサクレー大学/CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: パリ南大学/パリサクレー大学/CNRS
• [国際共同研究] レーゲンスブルク大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: レーゲンスブルク大学
• [国際共同研究] 中国科学院大学/Huairou National Science Center(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 中国科学院大学/Huairou National Science Center
• [雑誌論文] Shubnikov-de-Haas oscillation and possible modification of effective mass in CeTe3 thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Mori Watanabe, Ryoya Nakamura, Sanghyun Lee, Takuya Asano, Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Hiroki Taniguchi, Daichi Ueta, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 015005/1-5
  • DOI: 10.1063/9.0000074
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large Zeeman splitting in out-of-plane magnetic field in a double-layer quantum point contact (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiju Terasawa, Shota Norimoto, Tomonori Arakawa, Meydi Ferrier, Akira Fukuda, Kensuke Kobayashi, and Yoshiro Hirayama
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 024709/1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.024709
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Butterfly-shaped magnetoresistance in van der Waals ferromagnet Fe5GeTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu Ohta, Masashi Tokuda, Shuichi Iwakiri, Kosuke Sakai, Benjamin Driesen, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 025014/1-5
  • DOI: 10.1063/9.0000067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cryogenic GaAs high-electron-mobility-transistor amplifier for current noise measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Sanghyun Lee, Masayuki Hashisaka, Takafumi Akiho, Kensuke Kobayashi, and Koji Muraki
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 023910/1-9
  • DOI: 10.1063/5.0036419
  • 査読あり
• [雑誌論文] 近藤効果と量子ドットと私 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 雑誌名: 低温科学研究センター年報 巻: 11 ページ: 44516
• [雑誌論文] Generation of Multipeak Spectrum of Spin Torque Oscillator in Non-linear Regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuichi Iwakiri, Satoshi Sugimoto, Yasuhiro Niimi, Kensuke Kobayashi, Yusuke Kozuka, Yukiko K. Takahashi, and Shinya Kasai
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 022406/1-4
  • DOI: 10.1063/5.0013102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiple modes of a single spin torque oscillator under the non-linear region (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Sugimoto, Shuichi Iwakiri, Yusuke Kozuka, Yukiko Takahashi, Yasuhiro Niimi, Kensuke Kobayashi, and Shinya Kasai
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 ページ: 075115/1-6
  • DOI: 10.1063/5.0013105
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tunneling mechanism in a (Ga,Mn)As/GaAs based spin Esaki diode investigated by bias-dependent shot noise measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Arakawa, J. Shiogai, M. Maeda, M. Ciorga, M. Utz, D. Schuh, Y. Niimi, M. Kohda, J. Nitta, D. Bougeard, D. Weiss, and K. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 045308/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.045308
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Etching process of narrow wire and application to tunable-barrier electron pump (2020)
  • 著者名/発表者名: Shota Norimoto, Shuichi Iwakiri, Masahiko Yokoi, Tomonori Arakawa, Yasuhiro Niimi, and Kensuke Kobayashi
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 ページ: 085110/1-4
  • DOI: 10.1063/5.0011767
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum oscillations with magnetic hysteresis observed in CeTe3 thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Watanabe, Sanghyun Lee, Takuya Asano, Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Hiroki Taniguchi, Daichi Ueta, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 072403/1-4
  • DOI: 10.1063/5.0007517
  • 査読あり
• [雑誌論文] Negative resistance state in superconducting NbSe 2 induced by surface acoustic waves (2020)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Yokoi, Satoshi Fujiwara, Tomoya Kawamura, Tomonori Arakawa, Kazushi Aoyama, Hiroshi Fukuyama, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 ページ: eaba1377/1-5
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba1377
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin treacle in a frustrated magnet observed with spin current (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Taniguchi,Mori Watanabe,Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Tomonori Arakawa,Toshifumi Taniguchi, Bo Gu,Timothy Ziman, Sadamichi Maekawa, Kensuke Kobayashi,and Yasuhiro Niimi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 094405/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.094405
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field-induced SU(4) to SU(2) Kondo crossover in a half-filling nanotube dot: spectral and finite-temperature properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshimichi Teratani, Rui Sakano, Tokuro Hata, Tomonori Arakawa, Meydi Ferrier, Kensuke Kobayashi, and Akira Oguri
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 165106/1-23
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.165106
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] カイラル磁性体CrNb3S6におけるスピン輸送測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木将太、佐々木壱晟、太田智陽、川原遼馬、谷口祐紀、荒川智紀、乾皓人、島本雄介、高阪勇輔、戸川欣彦、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）
• [学会発表] 原子層強磁性体/超伝導体ヘテロ接合における輸送特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 太田智陽、藤原浩司、大星和毅、山神光平、岡田佳憲、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）
• [学会発表] ダイヤモンド量子センサを用いた磁区構造イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 塚本萌太、小河健介、河口真志、林将光、小澤勇斗、岩崎孝之、波多野睦子、佐々木健人、小林研介
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）[発表日：2021/3/15]。
• [学会発表] ダイヤモンド量子センサを用いた温度イメージング測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小河健介、塚本萌太、佐々木健人、小林研介
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）[発表日：2021/3/15]。
• [学会発表] グラフェンアンチドット格子における弱局在効果の変調 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大星和毅、花田尚輝、岩切秀一、松井朋裕、福山寛、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（ポスター）[発表日：2021/3/12-15]。
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体MnSb2Te4薄膜における輸送特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝村亮太、太田智陽、坂井康介、鈴木将太、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（ポスター）[発表日：2021/3/12-15]。
• [学会発表] 金属超薄膜における電場侵入効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩切秀一、杉本聡志、新見康洋、葛西伸哉、小林研介
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）
• [学会発表] FeTe0.6Se0.4薄膜素子の輸送特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村瞭弥、渡邉杜、徳田将志、坂井康介、中島正道、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（口頭）
• [学会発表] Bi/Ni超伝導薄膜の上部臨界磁場測定2 (2021)
  • 著者名/発表者名: 徳田将志、中尾舞、渡邉杜、Lee Sanghyun、中村瞭弥、Yue Di、Jin Xiao-Feng、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）（ポスター）
• [学会発表] Non-equilibrium Fluctuations in Correlated Quantum Liquids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: APW-RIKEN-Tsinghua-Kavli workshop on “Highlights on condensed matter physics” （Online Zoom Meeting, 2020年9月2-4日）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strongly Correlated Quantum Liquids Probed by Non-equilibrium Fluctuations (2020)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: RIKEN CEMS Colloquium （理化学研究所創発物性科学研究センター、2020年9月23日）
  • 招待講演
• [学会発表] メゾスコピック系における非平衡ゆらぎ (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: 日本物理学会北海道支部講演会（北海道大学工学部オープンホール、2020年11月10日）
  • 招待講演
• [学会発表] 量子液体における三体相関の実験的検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林研介
  • 学会等名: シンポジウム「近藤効果研究の新展開 －現代の近藤効果－」、日本物理学会 第76回年次大会（2021年）（オンライン、2021年3月12日- 15日）
  • 招待講演
• [学会発表] Enhancement of coercive field in van der Waals ferromagnet Fe5GeTe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Ohta, K. Sakai, H. Taniguchi, B. Driesen, Y. Okada, K. Kobayashi, and Y. Niimi
  • 学会等名: The 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2020) (November 2-6, 2020) [poster].
  • 国際学会
• [学会発表] Coexistance of quantum oscillation and magnetic hysteresis in CeTe3 thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Watanabe, Sanghyun Lee, Takuya Asano, Takashi Ibe, Masashi Tokuda, Hiroki Taniguchi, Daichi Ueta, Yoshinori Okada, Kensuke Kobayashi, and Yasuhiro Niimi
  • 学会等名: The 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2020) (November 2-6, 2020). [oral]
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic domain structure imaging using diamond quantum sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Moeta Tsukamoto, Kensuke Ogawa, Masashi Kawaguchi, Masamitsu Hayashi, Hayato Ozawa, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (December 17-18, 2020)[online] [oral].
  • 国際学会
• [学会発表] Development of temperature imaging technique using diamond quantum sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Ogawa, Moeta Tsukamoto, Kento Sasaki, Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (December 17-18, 2020)[online] [oral].
  • 国際学会
• [学会発表] Non-linear Electron Transport Mediated by Electron-Magnon Interactions in Magnetic Tunnel Junction (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuichi Iwakiri, Satoshi Sugimoto, Yasuhiro Niimi, Yusuke Kozuka, Yukiko K. Takahashi, Shinya Kasai, and Kensuke Kobayashi
  • 学会等名: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会（オンライン、2020年12月21日-25日）
• [学会発表] 磁気トンネル接合における非線形輸送 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩切秀一、杉本聡志、大湊友也、加藤岳生、松尾衛、新見康洋、葛西伸哉、小林研介
  • 学会等名: スピントロニクス・オンライン発表会（オンライン、2020年6月3日-4日）（口頭）
• [学会発表] ファンデルワールス強磁性金属Fe5GeTe2における垂直磁気異方性の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 太田 智陽、坂井 康介、谷口 祐紀、Benjamin Driesen、岡田 佳憲、小林 研介、新見 康洋
  • 学会等名: スピントロニクス・オンライン発表会（オンライン、2020年6月3日-4日）（口頭）
• [学会発表] ファンデルワールス強磁性金属Fe5GeTe2における垂直磁気異方性の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 太田智陽、坂井康介、谷口祐紀、Benjamin Driesen、岡田佳憲、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] カイラル磁性体CrNb3S6薄膜における逆スピンホール効果の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木壱晟、太田智陽、川原遼馬、谷口祐紀、荒川智紀、乾皓人、島本雄介、高阪勇輔、戸川欣彦、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] 寄生容量を考慮した電子回路モデルによるノイズ測定用低温HEMT増幅器の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: Lee Sanghyun、橋坂昌幸、秋保貴史、小林研介、村木康二
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] 磁気トンネル接合における非線形輸送 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩切秀一、杉本聡志、大湊友也、加藤岳生、松尾衛、新見康洋、葛西伸哉、小林研介
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] NbSe3薄膜における電荷密度波スライディング特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤原浩司、岩切秀一、横井雅彦、渡邉杜、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] エッチンググラフェンのおける弱局在効果の増幅 (2020)
  • 著者名/発表者名: 花田尚輝、岩切秀一、浅野拓也、松井朋裕、福山寛、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（口頭）
• [学会発表] Bi/Ni超伝導薄膜のパラ伝導度の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 徳田将志、中尾舞、岩切秀一、Yue Di、Jin Xiao-Feng、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（ポスター）
• [学会発表] Bi/Ni超伝導薄膜の上部臨界磁場の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中尾舞、徳田将志、Yue Di、Jin Xiao-Feng、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会（オンライン開催、2020年9月8日-11日）（ポスター）
• [学会発表] 磁気トンネル接合におけるマグノン支援トンネル現象の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩切秀一、杉本聡志、新見康洋、小塚裕介、葛西伸哉、小林研介
  • 学会等名: 第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用（オンライン開催、2020年11月17日-19日）（口頭）
• [学会発表] エッチンググラフェンにおける弱局在効果の増幅 (2020)
  • 著者名/発表者名: 花田尚輝、岩切秀一、浅野拓也、松井朋裕、福山寛、小林研介、新見康洋
  • 学会等名: 第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用（オンライン開催、2020年11月17日-19日）（ポスター）
• [備考] 小林研究室ホームページ（東京大学）
  • URL: https://meso.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 小林研究室ホームページ（大阪大学）
  • URL: http://meso.phys.sci.osaka-u.ac.jp/