河野低温物理研究室

研究概要

当研究室では、マイクロケルビン温度領域を含む広い低温環境下において、凝縮系がしめす顕著な量子現象の研究を行なっている。これまで、超低温実験設備を用いて、超流動ヘリウム３の表面・界面効果、回転超流動ヘリウムの物性、超流動ヘリウム表面に束縛した電子系、イオンプールの非線形伝導現象、プラズマ共鳴、ミリ波吸収、量子渦生成などの研究を行った。GaAs半導体をベースとした縦型2重量子ドットを製作し、電子スピン・核スピンに依存した量子輸送現象の量子情報処理への応用を視野にいれた研究を行った。さらに、毛細管凝縮によるヘリウムチャネルや吸着ヘリウム膜を用いて単一電子制御を目指した実験など、ナノサイエンスに関連したテーマについて研究を進めた。

今後は、イオンプールを用いた超流動ヘリウム3表面束縛状態の検出、回転超流動固体ヘリウム、ミリ波吸収によって引き起こされるゼロ抵抗状態、半導体量子ドットにおける電子スピン・核スピン相互作用の超低温環境下での研究、量子ホール効果崩壊現象における核偏極と抵抗検出核磁気共鳴、ヘリウム表面上の単一電子制御などのテーマについて特に力を入れて研究を進める。

最近の研究成果

ヘリウム表面上２次元電子の新奇な磁気振動効果とゼロ抵抗状態

図1 ヘリウム表面上の表面状態２次元電子系のエネルギー分散関係

ミリ波吸収により単位時間にrの割合で励起された電子が、1/τの割合で基底状態に散乱され、緩和する様子を示した概念図。Px、Pyはヘリウム表面に平行な電子の運動量。

図2

ヘリウム表面上２次元電子系に垂直な磁場を加えると、磁気抵抗に振動が現れ、ミリ波の強度を増加させると抵抗値がゼロになる領域が現れた。

ヘリウム表面近傍に接近した電子は、液面と垂直な方向の運動が量子化され、表面状態に束縛される。電子のヘリウム表面方向の運動は依然として自由で、２次元サブバンド構造を形成する。電子の波動関数の大部分がヘリウム表面外側の真空中に存在しており、その質量はサブバンドの指数には依存せず、自由電子の質量に等しい。すなわち、サブバンド間のエネルギー差は表面に平行な方向の電子の運動量には依存しない。ミリ波を照射した電子は図１に示したように、単位時間にrという割合でミリ波を吸収して励起状態に遷移する。この励起状態電子はヘリウム蒸気中のヘリウム原子やヘリウム表面に励起された表面張力波、リプロンにより、単位時間に1/τの割合で基底状態に散乱されたのち、基底状態サブバンドの底に緩和する。このとき、電子とその散乱体の質量に大きな差があるために、エネルギーの移行は小さく、準弾性散乱となる。大きな運動エネルギーを表面と平行な方向に持った電子は、基底状態サブバンド内の底に緩和してもとの状態に戻る。このとき、電子間の強い相互作用によって、電子の運動エネルギーは効率よく他の電子に分配される。それに比べると電子系から周囲の環境へのエネルギーの伝達は効率が悪く、電子系だけが加熱されたホットエレクトロン状態が実現される。このような状況での２次元電子伝導はサブバンド間散乱の影響を強く受けたものとなり、２次元電子の温度を測る強力な方法を提供する。電子間の強い相互作用に起因する、ミリ波励起強度に依存した共鳴周波数のシフトが観測され、さらに、ミリ波周波数が共鳴を通過する際には、その掃引方向に応じて、抵抗値がヒステリシスを示すことが明らかになった。この現象は、電子系の温度に双安定状態が存在することを示しており、典型的な非線形光学現象のひとつである。抵抗測定によって電子系の温度を測定するこの実験方法は、ミリ波パルスと組み合わせることによって、相互作用する多体電子系の量子遷移に関するダイナミクスを解明するための有力な手段となることが予想され、今後の研究の展開には大きな期待が寄せられる。

この系に２次元電子系と垂直に磁場を加えると、面内の電子の運動がさらに量子化されて、ランダウ準位を形成する結果、励起された電子の緩和過程に強い磁場依存性が現れる。その結果、磁場強度に対して、２次元電子系の面内抵抗に振動が現れる。我々はこの磁気振動を始めて実験的に観測し、そのメカニズムに対する機構を提案した。さらに、温度を下げ、高移動度化をはかり、強いミリ波を照射することで、抵抗値がゼロになる磁場領域があることを発見した（図２）。この領域でどのような電子状態が実現されているのか、その解明が待たれる。おそらく強い非平衡状態の出現と密接に関連した物理現象であることが予想される。ヘリウム液面電子系という極めて清浄な系において、非平衡現象研究の新しい側面が明らかになろうとしている。