カーボンナノチューブに於けるクーロン・ブロッケイドの理論的研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14540302
• Research Institution: Nara Women's University
• Principal Investigator: 岩渕 修一 奈良女子大学, 理学部, 教授 (40294277)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉岡 英生 奈良女子大学, 大学院・人間文化研究科, 助教授 (40252225)
• Keywords: クーロン・ブロッケイド / カーボンナノチューブ / 朝永-ラッティンジャー流体 / 非フェルミ流体 / ボソン化法 / 開放境界条件

Research Abstract

近年、カーボンナノチューブの伝導特性が研究され、朝永-ラッティンジャー流体としての性格(特異な冪依存性を持つトンネル電流-電圧特性)とクーロン・ブロッケイド特有の現象(クーロン階段、クーロン振動)がともに見いだされている。非フェルミ流体である朝永-ラッティンジャー流体をアイランドとする系でのクーロン・ブロッケイドは既存のものとは異なる発展性を持つ可能性があるが、このような系のクーロン・ブロッケイドを合理的に記述する理論的研究の構築を行っている。今年度は、昨年度に構築した絶対零度でのTLL-CSET[朝永-ラッティンジャー流体をアイランドとし、かつ容量結合型単一電子トンネル構造(C-SET構造)を持つ微小二重トンネル接合]に於けるクーロン・ブロッケイドの理論を国際会議で発表するとともに論文(Letter)にまとめた。Letter内容に関する本論文は現在投稿準備中である。さらに、今年度は理論の有限温度へ拡張を完成させ、解析的な検討を中心に行った。現在、数値計算にも取りかかっており、これらをもとに来年度(最終年度)内の計画完遂を目指す。
カーボンナノチューブそのものに関しては、昨年度構築した有限長のカーボンナノチューブのTLL理論を用いて、局所状態密度の空間、エネルギー、化学ポテンシャル、温度依存性を理論的に詳細に調べた。また、TLL状態の証拠とされる輸送特性の実験では、約100K以上では確かにTLL状態に特徴的な結果を示していたが、その温度以下ではTLL状態によるものとは異なっていた。これはクーロン・ブロッケイドによるものと考えられているが、100K以下でもTLL状態が実現していることを示す直接的な実験結果が望まれていた。そのため、東京都立大学、広島大学、高エネルギー加速器機構の実験グループと協力し、光電子分光を用いて電子状態密度の直接観測を行った。10Kから300Kまでという広い温度範囲で得られた結果はTLL理論によって計算されたものと良い一致を示し、カーボンナノチューブでは低温においてもTLL状態が実現していることが証明された。この結果は、論文での発表とともに新聞紙上での発表も行った。

Research Products

• [Publications] Chika Tanaka, Fujio Wakaya, Shuichi Iwabuchi: "Theory on the Coulomb Blockade and Current-Voltage Characteristics in Tomonaga-Luttinger Liquid C-SET"Physica E : Low-dimensional Systems and Nanostructures. (in press). (2004)
• [Publications] H.Yoshioka: "Tomonaga-Luttinger-liquid behavior in conducting carbon nanotubes with open ends"Physica E. 18. 212-213 (2003)
• [Publications] H.Ishi et al.: "Direct observation of Tomonaga-Luttinger-liquid state in carbon nanotubes at low temperature"Nature. 426. 540-544 (2003)
• [Publications] H.Yoshioka: "Spin Excitaion in Nano-Graphite Ribbons with Zigzag Edges"Journal of the Physical Society of Japan. 72. 2145-2148 (2003)