| 研究課題/領域番号 |
26247051
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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 |
都倉 康弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20393788)
橋坂 昌幸 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子固体物性研究グループ, 主任研究員 (80550649)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | メゾスコピック系 / 量子ホール効果 |
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| 研究実績の概要 |
本課題「量子ホールエッジチャネルの非平衡電荷ダイナミクス」では、強磁場中の半導体二次元電子系のエッジチャネルにおける電荷・無電荷輸送など顕著な量子多体現象の観測により、人工的な低次元構造中における非平衡電荷状態の動的制御方法を確立することを目的としている。低周波電流雑音測定、時間分解・周波数分解の超高周波輸送現象、エネルギー分光測定、それらの理論解析によって、整数及び分数量子ホール領域における、【１】人工的構造を用いた朝永ラッティンジャー流体(TLL)の挙動（スピン電荷分離など）の観測、【２】電荷を伴わない無電荷熱輸送の検出と解明、【３】エッジチャネルと他自由度との相互作用に関する理論研究を進めて、プラズモン集積回路や量子情報伝達チャネルとしての可能性を探索している。
H29年度は、TLLの電子励起ダイナミクスを中心に研究を進めた。まず、量子ドットを用いたエネルギー分光測定により、特異なarctan型のエネルギー分布関数を示す非平衡準安定状態に至ることを実験的に検証し、TLL模型の可積分性に起因する非平衡準安定状態の観測に成功した。固体物理系での非平衡多体状態を探る重要な成果である。また、ホットエレクトロン分光測定を開拓し、TLLモデルを超えた高いエネルギー領域において、電子電子散乱の抑制やフォノン散乱の抑制を明瞭に観測し、長距離のホットエレクトロン輸送が可能になることを実験的に示した。さらに、フォトコンダクティブスイッチにより光パルスによってプラズモンを励起するなど、新たなプラズモン実験技術を開拓した。分数量子ホール系では、局所分数量子ホール系で現れる分数ショットノイズに注目して、実験と解析を進め、準粒子励起ダイナミクスの理解を進めた。理論研究では、スピン軌道相互作用のある量子ドットに注目し、時間依存する摂動に対する応答を解析した。
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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
当初目標はほぼ実現し、発展的内容の計画も進んでいる。【目標１】朝永ラッティンジャー流体（TLL）の挙動は、スピン電荷分離の時間分解測定に成功し、原著論文・招待講演・解説記事・外国レビュー論文（投稿中）で知見を広めている。【目標２】無電荷輸送の検出と解明は、可積分系特有の非平衡準安定状態の観測に至り、その成果の論文出版が決定された。【目標３】他の自由度との相互作用については、フォノン散乱や電子電子散乱の解析に成功し、論文執筆段階にある。【目標４】プラズモン集積回路・量子情報伝達チャネルの可能性が高まり、新たな実験を準備中である。以下、特筆する成果を記す。
[1] TLLの最大の特徴である可積分模型は、非平衡準安定状態などの興味深い現象を示す。本研究では、量子ドットを用いたエネルギー分光測定により、初期状態として準備した非平衡状態が、arctan型の分布関数を示す非平衡準安定状態に至ることを示した。このような電子輸送現象における量子多体ダイナミクスは、プラズモン集積回路や量子情報伝達チャネルとしての可能性を示唆する重要な結果である。
[2] 非平衡TLLのトンネル状態密度の解析と、エッジマグネトプラズモンの緩和過程に関しする研究を進めた。時間的に変化する摂動に対する系の電気的応答を解明し、熱的応答（過剰エントロピー）に関する量子マスター方程式の解析について出版、会議報告した。また、強いスピン・軌道相互作用のある系でのTLLの特性についても検討を開始した。
[3] 局所分数量子ホール系における分数ショットノイズ発生について、実験結果の解析を行った。分数量子ホール系における準粒子励起ダイナミクスについて理解が進み、複数の国際会議にて発表を行った。また、占有率の異なる量子ホール系界面における電荷ダイナミクスについて新たな研究を着想し、実験を開始した。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度に向けて、計画した目標を論文発表を含めてすべて実現し、より発展的な研究課題を進める。
[1] 整数量子ホールエッジチャネルの非平衡電荷の緩和過程について、系統的に調べる。線形バンド近似が成り立つ低エネルギー領域では、朝永ラッティンジャー流体に起因する準安定状態の解析をさらに進める。線形バンドが破綻する中エネルギー領域で支配的になる電子電子散乱機構を解析し、その抑制メカニズムを明らかにする。さらにLOフォノンエネルギーよりも高いエネルギー領域では、LOフォノン散乱、ランダウ準位間散乱などの複数の散乱機構に関する解析を進める。
[2] 局所分数量子ホール系における分数ショットノイズ発生現象について実験結果を論文にまとめる。量子ホールエッジチャネルの朝永ラッティンジャー液体的振る舞いについて総説論文にまとめる。また、昨年度に開始した量子ホール系界面の電荷ダイナミクスについての実験を引き続き行い、界面における分数電荷準粒子の散乱機構を明らかにする。まずは整数／分数量子ホール系の界面に注目して研究を行い、その後は占有率の異なる分数量子ホール系同士の界面に着目した研究を行う。
[3] 引き続き非平衡状態にあるエッジチャンネルのエネルギー・位相緩和過程について理論的な解析を進める。特にエネルギー分散の非線形性、スピン・軌道相互作用、非平衡粒子数分布関数などにより朝永ラッティンジャーモデルを拡張した解析を探索する。また電荷計、エネルギー分光測定器としての量子ドットの動的特性の解析を進める。特に完全計数統計・量子マスター方程式と多準位Floquet理論を適用する。
[4] 上記の結果を踏まえて、プラズモン集積回路・量子情報伝達チャネルの可能性を調べる。特に、プラズモン伝搬の特性向上、プラズモン共振器と二重量子ドットの結合系などの新たな研究を開始する。
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