量子ホール系におけるエッジ状態とトポロジカル励起の研究

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
• 研究課題/領域番号: 25103722
• 研究機関: 兵庫医科大学
• 研究代表者: 福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (70360633)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 量子ホール効果 / エッジ状態 / スピン拡散 / ２層系 / トポロジカル励起 / グラフェン

研究実績の概要

量子ホール状態、特に２次元電子系を２枚近接配置した２層系を中心に、さまざまなトンネリング・エネルギーを持つ試料でランダウ準位占有率νを変化させ、電気伝導測定やマイクロ波による共鳴現象の観測を通して、エッジ状態での電子の散乱機構とエッジの動的変化過程、および半量子渦対や磁気ロトン、スカーミオンなどの量子ホール系特有のトポロジカルな励起状態の特定とその生成・消滅機構を解明する。
本年度は、高移動度GaAs量子井戸構造試料を用いて、量子ホール領域における２次元電子系のエッジ状態のダイナミクスを明らかにすべく、動的核スピン偏極（DNP）の周波数依存性の測定及び解析を行った。その結果、DNP電流の周波数が低い直流に近い領域では、一度上昇した磁気抵抗が再び減少するという新奇な現象を発見した。このことは、エッジ状態およびドメイン構造が時間変化する中で、周波数に依存してドメインおよびエッジが分離・再結合のプロセスを複雑に繰り返していることを示唆する結果である。このことをさらに明確化するため、ホールバー構造だけでなくコルビノ構造の電極パターンを形成して試料を作成し、試験を行った。
また、同様の実験を、新奇な２次元電子系であるグラフェンを用いて行うため、単層および２層のグラフェンのデバイス化を行った。その結果、グラフェンの電気伝導度は、表面に吸着した分子吸着の効果が極めて強く、分子吸着状態でのエッジ状態やトポロジカル励起の研究が次の段階として待たれる極めて興味深い結果となった。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of the Inert Gas Adsorption on the Bilayer Graphene to the Localized Electron Magnetotransport (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, Y. Ohno and K. Matsumoto
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 568 ページ: 052009
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/5/052009
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-frequency ESR measurements and ESR/NMR double resonance experiments of lightly phosphorous-doped silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Y Fujii, S Mitsudo, K Morimoto, T Mizusaki, M Gwak, SG Lee, A Fukuda, A Matsubara, T Ueno and S Lee
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 568 ページ: 042005
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/4/042005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] グラフェンにおける抵抗振動と弱局在効果との関係 (2015)
  • 著者名/発表者名: 寺澤大樹，福田昭，藤元章，大野恭秀，松本和彦
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] チタンクリーニングされたグラフェンにおける弱局在効果のゲート電圧依存性と温度依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤元章，Corey Joiner，Yuxuan Jiang，寺澤大樹，福田昭，Zhigang Jiang，Eric Vogel
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 希薄ドープSi:Pの超低温・高周波ESR (2015)
  • 著者名/発表者名: 森本和也，藤井裕，光藤誠太郎，水崎隆雄，菊池彦光，福田昭，松原明，上野智弘，山森英智，SangGap Lee，Minchan Gwak，Soonchil Lee，Sergey Vasiliev
  • 学会等名: 日本物理学会第７０回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Low Frequency Dynamics of the Chiral Edge Domains in the Fractional Quantum Hall State (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, S. Tsuda, D. Terasawa, A. Sawada
  • 学会等名: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2014)
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 2014-12-16 – 2014-12-20
• [学会発表] High-Frequency ESR Measurements of Shallow Doped Si:P at Low Temperatures and Their Extension to Lower Temperatures for High μBB/kBT (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Morimoto, Y. Fujii, S. Mitsudo, T. Mizusaki, H. Kikuchi, A. Fukuda, A. Matsubara, T. Ueno, M. Gwak, S.G. Lee, S. Lee, T. Saito and S. Vasiliev
  • 学会等名: APES2014, IES and SEST2014 (APES-IES-SEST2014)
  • 発表場所: Nara
  • 年月日: 2014-11-12 – 2014-11-16
• [学会発表] チタンクリーニングされたグラフェンの弱局在効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤元章，Corey Joiner，Yuxuan Jiang，寺澤大樹，Tania Roy，Zohreh Razavi Hesabi，福田昭，Zhigang Jiang，Eric Vogel
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Resistance maxima and deviations from the quantized Hall value induced by dynamic nuclear polarization around ν=2/3 (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Terasawa, S. Tsuda, S. Mitani, Minh Hai N., A. Fukuda and A. Sawada
  • 学会等名: 32nd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2014)
  • 発表場所: Austin（アメリカ）
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Low Temperature Anomalies of Resistance in Titanium-Cleaned Single Layer Graphene (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fujimoto，C. A. Joiner, Y. Jiang, T. Roy, Z. R. Hesabi, D. Terasawa, A. Fukuda, Z. Jiang, E. M. Vogel
  • 学会等名: 32nd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2014)
  • 発表場所: Austin（アメリカ）
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Effect of the Inert Gas Adsorption on the Bilayer Graphene to the Localized Electron Magnetotransport (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, D. Terasawa, Y. Ohno and K. Matsumoto
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Direct Current Nuclear Spin Polarization in the Fractional Quantum Hall Effect (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Fukuda, S. Tsuda, D. Terasawa and A. Sawada
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] High-Frequency ESR Measurements and ESR/NMR Double Resonance Experiments of Lightly Phosporous-doped Silicon (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujii, S. Mitsudo, K. Morimoto, T. Mizusaki, M. Gwak, S.G. Lee, A. Fukuda, A. Matsubara, T. Ueno and S. Lee
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [学会発表] Incompressible Motion and Enhanced Dsissipation in a Classical Two-dimensional Electron System (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Arai, S. Yamanaka, A. Sawada, A. Fukuda and H. Yayama
  • 学会等名: 27th International Conference on Low Temperature Physics (LT27)
  • 発表場所: Buenos Aires（アルゼンチン）
  • 年月日: 2014-08-06 – 2014-08-13
• [備考] 兵庫医科大学｜物理学
  • URL: http://www.hyo-med.ac.jp/faculty/course/physics.html
• [備考] 公募研究メンバー｜メンバー｜対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
  • URL: http://www.topological-qp.jp/member/spmember.html
• [備考] 「トポロジカル量子」領域HP(日本語)
  • URL: http://www.topological-qp.jp/
• [備考] 「トポロジカル量子」領域HP(英語)
  • URL: http://www.topological-qp.jp/english/index.html