51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科物理学専攻　教授　游佐刚

【発表のポイント】

• 超高速な顕微镜を开発し、トポロジカル物质^(注1)の中でも极めて奇妙な分数量子ホール液体^(注2)のエッジ^(注1)を走る电子の波の动画を撮影した。
• 顕微镜の空间分解能は约500ナノ（10亿分の1）メートル、时间分解能は约100ピコ（1兆分の1）秒で、极低温强磁场(絶対温度^（注3）40ミリケルビン＝温度-273.11℃、 磁場14テスラ^（注4））の超极限环境で动作する。
• 量子ホール系を舞台とした量子宇宙シミュレーターの开発研究や、エラー耐性がある量子コンピューターの开発研究に利用できる。

【概要】

2016年のノーベル物理学赏の受赏理由は「トポロジカル相転移と物质のトポロジカル相の理论的研究」でした。トポロジカル相転移は锁状であれば端部、面状であればエッジ、立体であれば表面だけで生じる状态です。この相転移を利用すれば次世代の电子工学の开拓や未来の量子コンピューターが実现すると期待されて精力的な研究がおこなわれています。

東北大学 大学院理学研究科物理学専攻の神山晃範さん（博士課程後期）、遊佐剛 教授、国立研究開発法人物質?材料研究機構（以下NIMS）の間野高明 主幹研究員の研究グループは、強磁場、極低温環境で動作する走査型ストロボスコープ分光顕微镜^（注5）を开発し、トポロジカル物质の一种である分数量子ホール液体のエッジを电子が走る动画の撮影に成功しました。本成果は、电子が作る特殊な状态である分数量子ホール液体の解明と量子宇宙のシミュレーターの开発研究に応用できる重要な成果です。

本研究成果は、専門誌Physics Review Research誌（オンライン版）に2022年3月28日（米国東部時間）掲載されました。

図1)実験の模式図
走査型ストロボスコープ分光顕微镜^(注5)を使って、量子ホールエッジに沿って走る电子の波を测定する

【用语解説】

(注1) トポロジカル物質、バルク、エッジ:
物质全体が絶縁体となっている普通の絶縁体とは违い、トポロジカル物质は试料の端以外、つまり内部(バルク)は絶縁体であるにもかかわらず、试料の端や表面が金属的で电気が流れる。量子ホール状态は2次元のトポロジカル物质の代表例でバルクは絶縁体となっているが、试料の端(エッジ)は1次元の伝导体となり、电子は一方向にしか流れず电気抵抗はゼロになる。

(注2) 分数量子ホール液体:
ある特定の条件で2次元电子を强磁场?极低温环境に置くと、电流方向の电気抵抗はゼロになり、それに直行する方向の电気抵抗(ホール抵抗)が量子化するという不思议な现象が起こり、これを量子ホール効果という。量子ホール効果には整数量子ホール効果と分数量子ホール効果があり、それぞれ1985年と1998年のノーベル物理学赏の対象になっている。また2016年には量子ホール効果とトポロジーを结びつける理论がノーベル物理学赏の対象になった。分数量子ホール状态は、分数电荷をもつ励起など新规な物性を示し、ノイズに强いとされるトポロジカル量子コンピューターへの応用でも注目されている。

(注3) 絶対温度:
物质を构成する分子や原子の热振动が止まる温度を０度（セ氏零下273.15度）と定义する温度で単位はケルビン。目盛间隔はセ氏温度と同じ。

(注4) 14テスラ:
テスラは磁石から発生する磁力の磁束密度の単位。14テスラは事务用品などに使われる磁石の数百倍、病院で诊断に使う惭搁滨の10倍程度。

(注5) 走査型ストロボスコープ分光顕微镜：
ストロボ効果とは、車輪やプロペラなど周期的に動く被写体に対してそれと同期した光(ストロボ光)を照射すると、被写体が静止して見える現象である。走査型ストロボスコープ分光顕微镜は、ストロボ効果を応用した超高速の顕微鏡である。この顕微鏡ではストロボ光に相当する数ピコ秒(注2)のパルスレーザー光を76 メガヘルツ(1秒間に7600万回)の周期で照射する。被写体である電子の波は、電極(図1)に印可した電気パルスで生成する。電気パルスによって分数量子ホール液体のエッジを100キロメートル毎秒程度の高速で伝搬する電子の波が生成され、この電子の波とストロボ光を同期させることで電子の波が静止して見えることを利用して、図2のような静止画像を取得する。さらに電子の波とストロボ光のタイミングを連続的に変化させることで動画の撮影が可能となる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

＜研究に関すること＞
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
教授　游佐刚（ゆさ　ごう）
贰-尘补颈濒：测耻蝉补*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

＜报道に関すること＞
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
電話： 022-795-6708
贰-尘补颈濒：蝉肠颈-辫谤*尘补颈濒.蝉肠颈.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）