【速報】理研など、非平衡フォノン環境下におけるスピンダイナミクスの実時間観測に成功
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理化学研究所(理研)と東京大学(東大)は8月30日、非平衡フォノン環境下に置かれた半導体二重量子ドット中の電子スピンのダイナミクスを実時間で観測することに成功し、フォノン励起により駆動されるスピン反転現象の統計を明らかにしたと発表した。
熱機関から熱力学的な仕事を取り出すためには、熱力学第二法則の要請により、非平衡な温度環境下に量子ドットを配置する必要がある。しかし、固体の温度を示す「格子温度」については、量子ドットと同じ空間スケールの数百nmで温度変化(勾配)を形成することが難しいため、格子温度で駆動する量子ドット熱機関の実証はおろか、電子やそのスピンに対する熱力学的な作用さえ調べられていなかったという。
そこで研究チームは今回、GaAs半導体量子井戸上に二重量子ドットを作製したほか、二重量子ドットの左側近くに電荷計量子ドットを形成。各量子ドット内の電子数を実時間でモニターしたが、これは量子ドット間を遷移する電荷ダイナミクスを実時間で観測するというものだという。
また、二重量子ドット上に結晶中の格子振動をエネルギー量子化した準粒子であるフォノンを発生させるため、右側近くにフォノン源量子ドットを形成。この量子ドットに直流電圧(VPS)を加えることで、電圧に応じたエネルギーと個数のフォノンが放出される仕組みだという。
https://i.imgur.com/pTIeRfT.jpg さらに、二重量子ドット内の電荷のダイナミクスの極低温環境下での観測として、面内磁場が加えられた二重量子ドットに電子が2個捕捉され、右の量子ドットに電子が2個入っている電荷状態(0,2)と、左右の量子ドットに電子が1個ずつ入っている電荷状態(1,1)とがエネルギー的に等しくなる条件で実験を実施。このとき、2つのスピンが互いに反平行であれば、一方のスピンは左右の量子ドットを共鳴的に行き来(トンネル)するため、二重量子ドットの電荷状態は(0,2)と(1,1)の間で頻繁に遷移を繰り返すという。一方、(1,1)状態で2つのスピンが互いに平行な場合には、パウリの排他律によって、左の量子ドットのスピンは右の量子ドットへ移ることができず、量子ドットは電荷の動きがない「閉塞状態」となるという。
このようなスピン閉塞状態における電荷ダイナミクスは、スピンの状態を強く反映するため、電荷とスピンの協奏的なダイナミクスの実時間観測が可能になる。電荷状態が(0,2)と(1,1)との間で繰り返し遷移するか、(1,1)状態に閉塞するかを観測することで、2つのスピンが平行か、反平行か、さらにいつスピン反転が起きたのかを実時間で判別することができるようになるという
実験では、スピン閉塞状態での電子スピンの反転の様子が、フォノン源のVPSに関して測定され、その結果、ある値よりも大きな電圧をフォノン源に加えると、スピン反転を伴う遷移が急激に増大することが確認されたとする。
このスピン反転を伴う遷移確率の増大は、フォノン励起とスピン軌道相互作用が同時に作用することで、スピン反転を伴う電子励起が生じた結果として理解できるという。これは、量子ドット内部のフォノン数の増大により、フォノン励起が増加し、それに伴ってスピン反転の頻度が増したと解釈できると研究チームでは説明している。 加えて研究チームでは、これらのフォノン励起により起きるスピン反転過程の統計を議論することで、左右の量子ドットにおける格子温度の評価を実施。その結果、2つの量子ドット間の距離が数百nm程度しかないにもかかわらず、左右の量子ドットに著しい温度差が現れることが判明したとするほか、(1,1)電荷状態における、平行・反平行スピン状態の占有率が、この格子温度勾配の存在によって、平行スピン状態に大きく偏ることも確かめられたとする。
なお、今回の結果については、スピンがフォノン環境から熱力学的な作用を受けていることを示す重要な結果であり、格子温度によって駆動される量子ドット熱機関を実現するための重要な知見であるとするほか、固体中で起きる熱電効果の微視的なメカニズムの解明や、熱電変換・制御のさらなる高効率化につながる重要な結果となる可能性を秘めているとしている。
また今回の研究成果は、半導体量子ドットを用いることによって、単一スピンレベルで、スピンに対する熱の効果を観測できることから、スピンによる熱制御の物理の解明に貢献することが見込まれるともしており、今後、スピンを熱媒体とする、またはスピンにより制御される、まったく新しい概念の熱制御技術やミクロな熱機関の研究が発展するものと期待されるとしている
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220831-2440188/2
https://i.imgur.com/IQ1Cwsa.jpg なんかよくわからんけど韓国に流出したりパクられないように気ぃつけてな フォノンくらい格子振動で大学の無機でやるだろ
どんだけ低学歴なんだよ 来たな…これで非平衡フォノン環境下におけるスピンダイナミクスの実時間観測ができるってことだ 絶対零度の振動の話かとおもったら１０Kぐらいの話だった 土木系では熱伝導とか蒸発の理論でちょっと出てくる程度
まったく理解できてない ■ このスレッドは過去ログ倉庫に格納されています
