【研究領域課題番号】21K03415 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子多体効果 / 局所フェルミ流体 / 量子ドット / 近藤効果 / 輸送現象 / 量子干渉効果 / 量子もつれ / メゾスコピック / 多体効果 / 量子輸送

【研究成果の概要】

極低温で量子多体効果の起こっているカーボンナノチューブで作成された量子ドットの電流特性を、実験グループと協力し明らかにした。特に量子ドットに局所フェルミ流体状態が形成されるときの、電流のバイアス電圧に対する非線形特性も注目した。その結果、磁場やドット準位の変動に対する応答中に、既存の局所フェルミ流体論を超えた、フェルミ流体補正効果の実験観測において初めて成功した。フェルミ流体補正項は３体相関の寄与によって記述されることが理論的に明らかになっていて、この実験では既存の２体までの相関で記述されるフェルミ流体を超えて、より多くの電子による相関状態の観測に成功したことを意味する。
また、２つの電極に繋がれた量子ドットのバイアス電圧の非線形までの電流応答を理論的に明らかにした。特に、２つの電極と量子ドットの結合の非対称性の電流への影響を明らかにした。非対称性として、左右のリードとドットの電子の混成と、左右の電極への電圧の印加の２つに注目し微視的理論により調べた。その結果、電流のバイアス電圧の２次の応答に準粒子相互作用によるハートリー項と、３次の応答で３体相関による効果が増幅されることがわかった。さらに、磁場応答やドットの準位の変動変動に対するケルディッシュ形式に基づいた微視的理論を構築した。その結果、ケルディッシュ形式のグリーン関数の低エネルギーで、周波数、温度、バイアス電圧の２次までの厳密な表式を導出することに成功した。これらの理論研究により、多体効果により低エネルギーで形成される量子状態が体系的に明らかになった。
また、リード電極に並列に２つの量子ドットがつながった系の多体効果と量子干渉効果による輸送特性を明らかにした。特に多体効果によって形成された散乱位相の測定のための実験と比較するため、複数のリード電極を用意し、電流測定に与える影響を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17204023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / メゾスコピック / 量子コンピュータ / トンネル現象 / 少数電子素子 / メゾスコピック系

【研究成果の概要】

2つの量子ドットを並列させ,一方においてFano近藤効果を生じさせる.もう一方の量子ドットスピンをON/OFFさせることで,Fano近藤効果が消失/出現することを確認した.すなわち,RKKY相互作用を発生させることで,近藤温度が著しく低下したことになり,近藤効果とRKKY相互作用の相克という最も単純な描像を確認する結果となった.
量子ドット内多体効果によって,ドットの量子状態の充填順序は1電子エネルギーの順番から大きく変化する.側壁結合型量子ドットを使って,ゼロ電子状態を実現し,電子の個数を正確に測定し,同時に磁場応答を見ることで充填された状態の1電子アサインメントを行った.これにより,閉じこめポテンシャル形状を変化させることで,多体効果の現れ方に大きな変化が生じることが判明した.本年度はこれを使用して,電子数を変化させずに量子ドット内のスピン状態を変化させ,スピンをON/OFFすることに成功した.
超伝導量子ビットについて,多体効果によって量子テコヒーレンスが生じる様子を実験的に検証した.超伝導量子ドットを半導体2次元電子系上に作製し,マクロに区別が可能な電荷状態間がジョセフソン結合によって量子力学的にコヒーレントに結合されていることを,結合ギャップに相当するマイクロ波を照射してJQPピークに生じるサブピークを調へることで検証した.この時,2次元電子系はキャリアがいない状態に置いた.続いて2次元系にキャリアを導入して同じ実験を行い,コヒーレンスが大幅に抑制されていることを確認した.
GaAs/AlGaAs 2次元正孔系を使ってアンチドット格子系を作製し,磁気抵抗AB型振動を側定することて,スピン軌道相互作用によって生じるヘリー位相の存在を確認した.同時に,スピン軌道相互作用によるバンド分裂が干渉効果に及ぼす影響も検出した.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】07044120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メソスコピック / 量子ナノ構造 / 量子ドット / 超格子 / 共鳴トンネル / 単一電子 / 一次元構造 / 半導体

【研究成果の概要】

本年度は以下の研究を行い成果を得た。
(1)半導体超微細加工プロセス・評価技術に関しては,選択的結晶成長法や電子線描画装置を用いて,10nmサイズの極微細構造を作製するプロセスを確立した.また,減圧下での結晶成長法を用い,10nm以下の半導体量子ドット構造を自然形成させる技術の開発にも成功した.これらの半導体微細構造は,GaAsやInAsなどの化合物半導体のみならず,Siにおいても作製に成功している.
(2)メソスコピック領域の電子物性の研究では,まず強磁場中の二次元電子系について検討し,素子境界付近に形成されるエツジ状態のコヒーレンス長が極めて長いことを初めて実験的に示した。また量子ホール効果が電流増加に従いブレークダウンする機構を明らかにした.量子ホール効果状態にある半導体ヘテロ構造中の2次元電子系の電気抵抗が遠赤外光の照射に伴い敏感に変化することを発見し,その機構を明らかにするとともにこの効果を超高感度遠赤外線検出器として利用できる可能性があることを示した.
(3)新高機能デバイスの探索では,種々の新しい概念をもつデバイスの研究で成果をあげた.まず,InAs量子ドットをチャネル近傍に埋め込んだ新しいトランジスタ構造を作製し,量子ドットの帯電効果をメモリーとして用いることができることを示した.また,同様の構造をSiでも作製し,将来の集積回路応用が可能なメモリデバイスの動作を室温で確認した.一方,極微細量子ドットをチャネルとするシリコン・トランジスタを作製し,単一電子のトンネル現象を室温において観測することに成功した.また,ドット内の量子準位間隔を実験で求め,単一電子帯電効果だけでなく量子効果も大きな役割を果たしていることを明らかにした.

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)