Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

量子ドット / クーロンブロッケード / 光電流 / テラヘルツ波 / ディッケ効果 / アハラノフ・ボーム効果

本研究課題の目的は、量子ドット集合系にテラヘルツ（THz）光を当てたときの光電流（photocurrent）の物理を理論的に研究し、高感度THz光検出器への応用を提案することである。当該年度は、その準備として、単一量子ドットにおける光電流の定式化、電子フォノン相互作用に起因するFranck-Condon効果の光電流への影響の考察、および並列２重量子ドット系における輸送特性の研究を行った。
単一量子ドットにおける光電流に関して、昨年度は回転波近似を用いることで量子ドットと外部リード間のトンネル結合を厳密に取り入れて光電流の解析解を得た。今年度は、THz波を照射した量子ドットの別のモデルに対して、回転波近似を用いずに光電流の厳密な定式化を行った。THz波と電子との相互作用が小さい場合に光電流の解析解を求めた。この解析解は、電子間相互作用等を取り入れるために有効である。
単分子を量子ドットに用いる単分子デバイスでは、電子フォノン相互作用が大きくはたらく。その結果、Franck-Condon効果によって光電流が抑制されることが知られている。平川グループ（東大生研）の実験では、THz波の照射によってフォノンが励起され、その結果、Franck-Condon効果による光電流の抑制が緩和されることが観測されている。我々は、THz波によるフォノン制御、およびその光電流への影響を理論的に導出し、実験結果を説明した。
並列２重量子ドット系における電気伝導では、２重スリットとしての干渉効果、および電子間相互作用に起因する近藤効果が共存する。多端子系を用いると、近藤領域の量子ドットを透過する電子の位相差測定が可能となる。我々は近藤効果の厳密解を用いて電気伝導度を評価し、高田（産総研）らによる位相差測定の実験結果を説明することに成功した。

メゾスコピック系・局在 / 量子ドット / 近藤効果 / スピン軌道相互作用 / スポン軌道相互作用 / フピンホール効果 / アハロノフ・ボーム効果 / スピンバルブ / トンネル磁気抵抗 / スピンエレクトロニクス / メゾスコピック系 / 物性理論 / 量子情報処理 / 量子輸送現像 / 量子輸送現象

半導体の微細加工で作製されるナノサイズの箱、量子ドット、はしばしば人工原子と呼ばれる。人工原子のスピンが1/2のとき、金属中の磁性不純物と同様の近藤効果が観測される。人工原子を微小なリングに埋め込んだ系、量子ドットを2つ並べた人工分子、強いスピン軌道相互作用がはたらく人工原子、等での近藤効果を理論的に研究し、この多体問題の新しい物理学を開拓した。人工原子などの半導体ナノ構造におけるスピンの制御は量子コンピューターやスピントロニクスへの応用につながる。スピン注入、およびトンネル磁気抵抗の基礎研究を進展させた。

量子ドット / 量子デコヒーレンス / スピン反転 / 近藤効果 / Fano効果 / Coulombピーク / 量子アンチドット / エッジ状態 / ファノ効果 / クーロンピーク / 量子コヒーレンス / デコヒーレンス / 近藤状態 / スピン偏極キャリア / Aharonov-Bohm効果 / 単電子トンネリング

量子ドットと量子リングを組み合わせた系において,位相シフトと干渉効果の組み合わせによって生じるFano効果を,初めて観測した.実験観測によって,Fanoパラメタの性質など,量子コヒーレンスに関る新しい知見を得ることができた.更に,これを用いて量子コヒーレンスに起因する様々な問題に取り組み,位相の静電制御を観測し,量子位相の温度による拡散について,新しい理論的扱いを見出した.特に,量子ドットのコヒーレント伝導において,長年謎とされてきた同位相Coulombピークの問題について,部分的ながら解答を与えることができた.更に,量子ドット中の波動関数の状態として,電極との結合の強い特別な状態が存在し,複数準位を通した伝導が生じ,そのコヒーレンスによって外部干渉回路無しでのFano干渉効果が現れることを発見した.また,磁場によってこれがフォーカシングを起こし,磁場が強くなってエッジ状態が形成されると,最外殻の状態が自然に強結合状態になることを見出した.
量子ドットのスピン状態と量子コヒーレンスについて,量子リング系を用いて調べ,スピン散乱が量子エンタングルド状態を形成し,量子デコヒーレンスを起こすことを実験的に検証した.近藤効果が生じている系でもユニタリ極限でない場合は同様な状態であることを見出した.
2次元電子系表面に磁気的な微細構造を形成することで,コヒーレントに電子軌道をコントロールし得ることを,弱磁場の磁気抵抗,およびその角度依存性から示した.量子アンチドット系において,量子コヒーレンスに起因するAB的な磁気抵抗振動効果,また,これと異なる新しい量子振動効果を発見した.

【研究分担者】
小林研介	東京大学	物性研究所	助手	(Kakenデータベース)
遠藤彰	東京大学	物性研究所	助手	(Kakenデータベース)