| 研究課題/領域番号 |
19H05603
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| 研究分担者 |
秦 徳郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (30825005)
遊佐 剛 東北大学, 理学研究科, 教授 (40393813)
橋坂 昌幸 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 特別研究員 (80550649)
齊藤 圭司 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90312983)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| キーワード | 低次元準粒子 / メゾスコピック / 量子ホール系 |
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| 研究実績の概要 |
本課題「メゾスコピック量子ホール系の低次元準粒子制御と非平衡現象」では、強磁場中の半導体ヘテロ構造を用い、機能的量子素子の集積化であるメゾスコピック量子ホール系を形成し、一次元系準粒子（プラズモン・スピノン等）、二次元系準粒子（分数電荷・スカーミオン等）の非平衡現象を探求し、量子ホール熱機関やトポロジカル量子工学への応用指針を得ることを目標としている。具体的には、一次元系準粒子の非相反伝導を利用して、整数・分数量子ホール領域での朝永ラッティンジャー流体の伝導制御を行い、量子化熱伝導・量子ホール熱機関の実現を目指している。また、二次元系準粒子のブレーディングなどの制御技術の確立を念頭に、量子アンチドットによる少数準粒子の制御、超高速走査型偏光分光顕微鏡による準粒子ダイナミクス、準粒子のトンネル過程の解明を進めている。
今年度の研究実績は以下のとおりである。量子ホールエッジの一次元系に関して、単一電子描像で理解できる弾道的ホットエレクトロンと多体効果による朝永ラッティンジャー液体との関連を量子ドット分光などにより調べた。量子系の熱機関構築に向けた基礎理論の研究を進めるとともに、朝永ラッティンジャー液体に対する熱電機関の実験を進めた。また、ランダウ占有率2/3の量子ホールエッジにおける量子化された電荷分数化現象についての実験・モデル計算の研究を進めた。さらに、分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射実験の解析を進め、多重アンドレーエフ反射による境界エッジチャネル形成のメカニズムを明らかにした。
量子ホール系の二次元準粒子に関する研究では、発光型・反射型の走査型ストロボスコープ顕微鏡により、バルク内部の準粒子 (マグネトロトン)の観測に成功した。さらに、分数電荷準粒子を制御するための量子アンチドットに関する研究を進め、二重量子アンチドットのトンネル結合を広範囲で制御することに成功した。
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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
当初に計画した５つの課題のいずれも順調に進展しており、当初計画以上の成果も得られている。当該年度の進捗は以下のとおり。
［１］量子ホールエッジにおいて、高エネルギーの弾道電子が低エネルギー電子液体との散乱により緩和する様子を、量子ポイント接合分光法と量子ドット分光法により明らかにした。［２］複合量子ホールエッジにおける電荷分数化現象について、ディスオーダーが顕著な場合でも電荷波束の分数化率が量子化される様子を実験とモデル解析から明らかにした。［３］量子系の熱機関構築に向けた基礎理論の研究を進め、準静的なパラメータ変化に近い系での熱効率評価の基準を構築した。さらに有限スピードの熱力学状態変化の量子的な表現も得ることに成功した。［４］量子熱伝導の特徴を捉えるために、任意の格子系での流体力学的記述をするための統一的な手法を記述することに成功した。［５］分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射実験の解析を進め、多重アンドレーエフ反射による境界エッジチャネル形成のメカニズムを明らかにした。さらに、境界エッジチャネルを伝播する電荷中性モードについて、より精度の高い定量的な評価を行った。［６］電流ゆらぎ測定に使用する自家製HEMTの評価を行い論文にまとめた。さらに、このHEMTを用いた低温電流電圧変換回路が、市販HEMTによるものと比べて高性能（周波数帯域約2倍、入力換算雑音が1/10）であることを示した。［７］ポンププローブ反射測定による走査型ストロボスコープ顕微鏡により、時間分解能が数ピコ秒に達する顕微測定法を確立した。発光型・反射型の測定法により、エッジ状態を異なる速度で伝搬する励起モードや、バルク内部への励起(マグネトロトン)の観測に成功した。［８］二重アンチドット間にある不純物状態を介した高次のトンネルにより、二重量子アンチドットのトンネル結合を広範囲で制御することに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
［１］量子ホールエッジチャネルにおいて、高エネルギーの弾道的電子が低エネルギー電子液体との散乱により緩和する様子を系統的に調べ、朝永ラッティンジャー液体の形成過程を解明する。［２］朝永ラッティンジャー液体に対する量子ドット熱電機関の特性を系統的に調べ、可積分系に特有の熱電特性を明らかにすることを目指す。［３］量子熱機関構築のための基礎理論は徐々に揃いつつあり、量子ホール系での具体的な設定に対する研究を進める。ランダウワー原理における有限時間の効果など、実験的に確かめるための提案なども検討を進める。［４］近藤効果を伴う量子輸送における量子測定の効果や熱伝導も重要なテーマであり、現状では厳密な解を得ることは困難であるが、方法論を開拓する必要がある。［５］異なる量子ホールエッジ状態間の分数電荷アンドレーエフ反射を積極的に活用して、独自の準粒子干渉デバイスの作製に取り組む。干渉パターンの測定と電流ゆらぎの同時測定により、分数電荷準粒子のエニオン統計性の観測を行う。［６］低温電流電圧変換回路を希釈冷凍機に実装し、高精度の電流ゆらぎ測定系を完成させる。回路パラメータの調整によってこの回路の性能を正確に評価し、論文にまとめる。［７］発光型・反射型の二つのタイプの走査型ストロボスコープ顕微鏡を用いて、ランダウ占有率2/3の分数量子ホール状態の中性モードの可視化と、量子ホール系のエッジの速度分散の系統的な解明を目指す。また、エッジの熱輸送の可視化(温度分布のイメージング)を進め、相補的に中性モードの特性の理解を目指す。分数量子ホール状態のバルク準粒子であるマグネトロトンの伝搬についても研究を進める。［８］量子アンチドットによる少数準粒子の制御に向けた実験を進める。量子アンチドットの準粒子電荷を検出するため、量子ポイント接合と量子アンチドットを静電的に結合させた素子により研究を進める。
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