ナノ構造内における強相関電子の量子化条件の特定に成功 ～次世代の量子デバイス開発に新指針～

ナノ構造内における強相関電子の量子化条件の特定に成功～次世代の量子デバイス開発に新指針～

2023年5月10日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　组头広志
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

酸化物における量子化準位^（注１）の形成条件を特定することに成功しました。
高辉度放射光^（注２）を用いた角度分解光电子分光^（注３）により量子化状态を可视化することで、その形成条件を検証しました。
新しい量子化状态を用いた量子物质の开発につながると期待されます。

【概要】

エネルギーが连続的なアナログ値から离散的なデジタル値になる量子化は、现代のナノテクノロジーの基本となる现象です。近年、强い电子相関^（注４）をもつ酸化物においても量子化现象が観测され、この现象を利用した新しい量子物质や量子デバイス创成が期待されています。しかしながら、酸化物中の强相関电子^（注４）と呼ばれる强く相互作用した电子が量子化するための条件がわかっていませんでした。酸化物の类い希な机能を用いたモットトランジスタ^（注５）などの设计において、このことが大きな障害となっていました。

東北大学多元物質科学研究所の神田龍彦大学院生、志賀大亮助教、吉松公平准教授、組頭広志教授らの研究グループは、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の北村未歩助教（現在は量子科学技術研究開発機構）と共同で、高辉度放射光を用いた角度分解光电子分光という手法を用いて、酸化物における量子化条件を決定することに成功しました。

今后、この知见に基づいてナノ构造を设计することで、新たな机能を持つ量子物质の実现が期待されます。

本研究成果は、科学雑誌Communications Materialsのオンライン版に2023年4月25日付けで公開されました。

図1. 量子井戸構造における定在波および量子化準位の形成と平均自由行程の関係
量子井戸构造内に闭じ込められた电子が散乱されずに移动できる平均距离（平均自由行程λ）が量子井戸の幅より十分に长い场合は、その进行波と障壁による反射波が干渉する事で定在波が生じる。これにより、取り得るエネルギーが量子化される（左図）。この様子を放射光を用いて可视化すると、定在波に対応する量子化準位が観测される。一方で、电子の平均自由行程が短いと、定在波が形成できず量子化状态が形成されなくなる（右図）。

【用语解説】

注1. 量子化準位?量子化?量子井戸
井戸のような形状をしたポテンシャル障壁により、极めて薄い伝导层（2次元空间）の内部に电子を闭じ込める构造を量子井戸と呼びます。量子井戸内で电子は、层に垂直な方向への运动が制限されて、量子化準位とよばれるとびとびのエネルギー値を持つようになります。また、この现象を量子化と呼びます。半导体デバイスではこの特长を活かすことで、电子を効率よく利用することができ、高性能のレーザーやトランジスタが実现されています。

注2. 放射光
光速近くまで加速された電子の軌道を磁場によって曲げると、接線方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い輝度や偏光性などの優れた特性をもつ光源として、科学技術の広い分野で大いに活用されています。近年、高辉度放射光施設が世界各地で建設されており、先端材料や次世代デバイスなどの研究に活かされています。

注3. 角度分解光電子分光
物质に光を当てると、光电効果によって光电子が飞び出します。角度分解光电子分光は、この光电子のエネルギーの放出角度依存性を测定することにより物质中の电子の状态を调べる方法です。

注4. 強い電子相関?強相関電子
电子は负の电荷をもつため互いにクーロン斥力を感じながら物质中を运动します。その力が强い场合は、多数の电子が集団的に振る舞い、モット転移や超伝导など様々な兴味深い量子现象が発现します。このような场合、一般に强い电子相関があるといい、物质中において强い电子相関をもつ电子を强相関电子と呼びます。

注5. モットトランジスタ
半导体デバイスとして広く用いられている电界効果型トランジスタでは、不纯物を添加した半导体に电圧をかけて电子や正孔を蓄积することによって电気抵抗（电流の翱苍/翱蹿蹿）を切り替えています。一方、电流の翱苍/翱蹿蹿に强相関电子のモット転移（金属?絶縁体転移）を利用するトランジスタをモットトランジスタと呼びます。モット転移を利用するため、従来のトランジスタに比べて动作速度が速く消费电力が低い等の优れた素子性能を持つことが期待されています。

详细（プレスリリース本文）※5月11日に订正版へ差替え
※7页目の顿翱滨を以下のとおり订正いたしました。（2023年5月11日）
＜订正前＞
顿翱滨：10.1038/蝉41467-021-27327-锄
＜订正后＞
顿翱滨：10.1038/蝉43246-023-00354-7