カーボンナノチューブにおけるフォノンの量子光学

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K14637
• 研究機関: 明治大学
• 研究代表者: 奥山 倫 明治大学, 理工学部, 助教 (60735562)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: カーボンナノチューブ / フォノン / 量子光学 / シュレーディンガーの猫 / 量子ドット

研究実績の概要

カーボンナノチューブは基礎科学のみならず、将来のオールカーボンエレクトロニクスの中核素子として、工学的応用も期待されているデバイスである。従来、その特異な電子状態に着目する研究が盛んに行われてきたが、本課題では格子振動を司るフォノンに着目して理論研究を進めている。ナノチューブは炭素原子１層からなる「究極に薄い」物質であり、格子振動と電子状態の空間的重なりが大きい。このことに起因して、電子とフォノンとが極めて強く結合する。申請者はナノチューブを架橋したデバイスに作成した二重量子ドット（電荷量子ビット）の輸送現象における電子格子相互作用の効果を解析した。強い相互作用に起因して、左側の量子ドット（０キュービット）を電子が占拠する状態と、右側の量子ドット（１キュービット）を電子が占拠する状態では、フォノン状態が大きく異なる。ドット間トンネル結合により、０キュービットと１キュービット間の線型結合が生じるが、これはナノチューブの格子歪みの形状が異なる２状態間の重ね合わせ状態となる。ナノチューブはナノ－ミクロンスケールの物質であり、この状態はメソスケールの物体の異なる状態の重ね合わせ、いわゆる「シュレーディンガーの子猫」状態である。量子ドットの電流は「子猫」状態を介して生じるため、「子猫」の存在は電気伝導によって観測できることが明らかとなった。今後は備品として導入した計算サーバを利用した大規模数値解析により、「子猫」に特有の非自明な量子現象を探求する計画である。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

本課題研究では令和元年度末に備品として計算サーバを導入した。この資源を利用して、大規模数値計算を実施する予定であった。ところが、新型コロナウイルス感染拡大の影響による大学構内への入構規制の影響を受けて、サーバの開発環境構築が大幅に遅延した。そのため、予定していた数値解析の大部分が未だ実施できていない。さらに、国際会議２件および関連するサテライト会議での研究成果報告を予定していたが、これらの会議もコロナ禍により流会を余儀なくされた。

今後の研究の推進方策

現在、備品として導入した計算サーバの開発環境構築は完了し、大規模数値解析を行うことが可能となった。令和３年度はこれまでの研究成果をふまえ、「シュレーディンガーの子猫」状態の形成に起因する、非自明な量子輸送現象を理論的に解析する。また、従来、量子光学の分野で行われてきた研究との関連を調べ、フォノンが関与する新しい「量子光学」現象を理論的に提案する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染拡大の影響を受け、出席を予定していた２件の国際会議（半導体物理学国際会議および低温物理学国際会議）および、そのサテライト会議が流会となり、予定していた旅費を執行することができなかった。また、大学構内への入構規制等の影響により、備品として導入した数値計算サーバの開発環境構築が遅延した。今年度も引き続き、国際会議のオンサイト開催は困難であり、旅費の執行は不可能と考えられる。そこで、旅費として計画していた資金を開発環境を拡充するための費用とすることで、円滑な研究推進を図る計画である。