【物理】「分数量子ホール液体」という電子の特殊な状態の撮像に成功/東北大・NTT

東北大学(東北大)とNTTは、極低温、強磁場環境で動作する走査型偏光選択蛍光分光顕微鏡を開発し、
「分数量子ホール液体」と呼ばれる電子の特殊な状態を撮像することに成功したと発表した。

同成果は、東北大 大学院理学研究科 遊佐剛准教授、早川純一朗 博士課程後期学生、NTT物性科学基礎研究所
村木康二主幹研究員(特別研究員)らによるもの。詳細は、「Nature Nanotechnology」オンライン版に掲載された。

半導体中の電子は通常、気体中の分子のようにそれぞれが自由に動き回ることができるが、電子が動き回る
ことができる空間を2次元の平面内に制限して垂直に磁場をかけ、極低温に冷やすと電子は液体のように振る
舞うことが知られている。「分数量子ホール液体」と呼ばれるこの特殊な液体状態では、電流方向の電気抵抗が
ゼロになり、それに直行する方向の抵抗(ホール抵抗)が試料の形状や大きさに関係なく量子化する(分数量子
ホール効果)という特異な振る舞いが見られるが、それが電子間のミクロな相互作用によってマクロなスケールで
現れることを特徴としている。さらに自然界の基本粒子(フェルミ粒子、ボーズ粒子)とは異なる振る舞いを
する励起の存在やそれを用いた量子計算の可能性など、基礎・応用の観点から注目を集めている。

このような分数量子ホール効果は、高品質な試料において試料内部の深いところで起こることや、絶対零度に
極めて近い数10mKという極低温、強磁場中という極限環境で発現することから、これまで実際に実空間でどの
ようなことが起きているのか、可視化して観測することができなかった。

今回、研究グループでは、数T・40mK(-273.11℃)という強磁場・極低温の極限環境で動作する特殊な走査型
偏光選択蛍光分光顕微鏡を開発し、"分数量子ホール液体"の可視化に成功した。これは、東北大の顕微分光技術と
NTTの高純度結晶成長技術を組み合わせることによって初めて得られたものだという。

実験では、トリオン(図1)と呼ばれる粒子の発光を、偏光状態を選択して分光し、その強度を空間マッピング
することにより、電子のスピン偏極度の空間分布に相当するイメージを測定。"分数量子ホール液体"が
形成されている領域では、電子のスピン偏極度が他の領域と異なるため、これらを識別することが可能となった。


図1 エキシトン(励起子、中性励起子)とトリオン(荷電励起子)の比較
http://news.mynavi.jp/news/2012/12/03/128/images/001l.jpg

（本文>>2以降に続く）

▽記事引用元　マイナビニュース（2012/12/03）
http://news.mynavi.jp/news/2012/12/03/128/index.html

▽東北大学プレスリリース
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2012/12/press20121130-03.html

▽Nature Nanotechnology
「Real-space imaging of fractional quantum Hall liquids」
http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.209.html

（>>1続き）

分数量子ホール効果は、電子間の相互作用によって生じるため、観測には高純度の試料を必要とするが、
わずかに存在する不純物による揺らぎの影響はこれまで解明されていなかった。今回の実験によって、
不純物が作るポテンシャルの山や谷を反映した形で「分数量子ホール液体」が形成されていく様子が初めて
明らかになった。これにより、分数量子ホール状態の形成過程が解明されたとしている。


図2 完全偏極状態の「分数量子ホール液体」が形成される様子
http://news.mynavi.jp/news/2012/12/03/128/images/002l.jpg

さらに重要な成果として、特殊な条件下では、条件をわずかに変えることにより"分数量子ホール液体"が
完全強磁性から非磁性へと相転移を起こし、3μm程度と広い領域に渡って強磁性相と非磁性相(磁区構造)が
形成されていく様子が明瞭に観察されたことが挙げられる(図3)。これは、2次元における相転移という
基礎物理の問題に対して重要な知見を与える結果になると研究グループでは説明している。


図3 「分数量子ホール液体」のスピン相転移
http://news.mynavi.jp/news/2012/12/03/128/images/003l.jpg

今回の成果は、超伝導とならび、電子間の相互作用のみによって生じる巨視的な量子現象である分数量子
ホール効果の実空間における振る舞いを明らかにしたもので、固体物理の大きなテーマの1つである量子
ホール効果の研究において重要な意味を持つという。

また、半導体中の電子に対する不純物の影響が実空間で明らかになったことで、今後、不純物の影響を抑制する
研究に発展させることできるほか、電流を流すことによって、スピンの流れが磁壁に作用する効果を実空間で
調べることが可能となるという。

さらに、今回の研究で実空間観察に利用された顕微システムは、量子ホール効果に代表される極低温強磁場下の
物理現象の解明に利用できるだけでなく、低温で起こる様々な物理現象の解明にも応用できるとのことで、
例えば、スピンホール効果の空間観察など、半導体物理現象の解明に大きな威力を発揮することが期待される
としており、今後は、核磁気共鳴法と組み合わせた磁気イメージング法などへの応用に展開していく予定と
コメントしている。

（以上本文引用ここまで）

誰かガンダムに例えて3行で解説頼む

撮ったね？
お父さんにも撮られたことないのに！

常々、親方日の丸と揶揄されるNTTだけど
こういう「で、これを何に使うの？商品化できるの？」みたいな謎技術をたくさん持っているんでしょ？

量子の世界なのに撮れるってことはどゆこと？

　　∧,,,∧　
　( 　・∀・)　ほー　それで
　 (　　：　)　
　　し─J

あ、あー分数漁師ホール液体ね
どうにかして観察できないかなーって……思ってたんだ、よな。うん。

なるほど、
極限状態の電子が物質の性質にどのように作用するか、
宇宙の始まりで電子がどのように作用したのか、
そういう研究に一歩も二歩も先を行く成果が出たという記事。

カーボンナノチューブの中での電子の挙動は超伝導状態だって聞いたが
それと何が違うの？

分数量子ホール液体

イミフ

カーボンナノチューブの中の話は水素とかでしょう？

ちんこ入れたら気持ちよさそうだな

カーボンナノチューブは、
強い電子・格子相互作用が電子間相互作用に打ち勝てば高温超伝導の状態になるようだね。
それでも１２Ｋとかだが。

けなげな４に泣いた

板を東北大で検索してみるとなんか頑張ってんなー
東大で検索するとくだらない研究ばっかりなのに

次元数が2や3のような整数ではなく、
1/2、4/5のような分数ってこと？
フラクタル次元と別物？

日本て相対性理論では説明できない事ばっかり発見するよね。
また原爆落とされてーのかよｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ

ああ、時が見える

>>5
もちろん中韓にダダ漏れですけど

>>18
僻むなよ、いくら朴李しかできないからといっても。

>>17
分数みたいやな、次元は知らん。

fractional quantum Hall liquids
http://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_quantum_Hall_effect

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Hall_effect

式を見る限りフラクタルとは関係無さそう
まぁどっちもfractionalだけどフラクタルなら分数と言うよりは非整数。

莫大な税金かけてるわりには…　こういう話しがちらほら出てるだけで終了なんだよね〜ｗ

研究者に税金の損害賠償できないものか？

>>24
ちらほら出てるような話は本当に大発見のレベルだからな
サッカー市場がこんだけ大きいのに優秀な選手はメッシぐらいしかいないのかよｗｗｗｗ
って言ってるのと同じ
サッカー知らない奴に有名チームのCBの名前なんか耳に入らんだろ

ランダウ準位が関係してるわけだな
なるほどな
うんうん


ちなみに整数や分数量子ホール効果の発見についてはノーベル物理学賞が与えられてます

どんな液体やねん

飲んだらうまい？

これって、あの兵器の基盤にも組み込まれているチップの爆発的な進化を意味するよね。
やばいよ。可視化なんて単語で報じるべきじゃない。

科学板ってこの程度かよ
記事の内容理解できてるヤツほとんどいないじゃん

俺も全然わかんねー

>>29
この成果を前提にした生産プロセスの改訂で、CPUの性能表記はGHzからTHzに移行する。

で、２次元の世界に行けるようになるの？

言ってる意味がﾜｶﾝﾈ('A`)

とりあえず>>30が変なこと言ってることだけは分かった

まったく意味がわからん

ちんこつっこんだらどうなるの？ｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ

痛みも無くポッキリ逝くんじゃないかな

なんで写せるの？と思ったら、なんかすごい可視化技術かよwwww

これマジで難しすぎてわかんないわ
基礎研究版とか新しく作ってそっちでやってくんないかな

>>38
お客様、チリ人先生のお客様専用スレの方へどうぞ、こちらは住民専用の内容です。

試料を直接分光顕微鏡で見てるってのが凄いな
数十mKなら希釈冷凍機を使って冷やしてるんだろうけど、
このレベルだと周囲の熱輻射をしっかり遮断しないと温度が下がらない。
その上で試料からの信号は検出するんだからなあ。

＞さらに重要な成果として、特殊な条件下では、条件をわずかに変えることにより"分数量子ホール液体"が
＞完全強磁性から非磁性へと相転移を起こし、3μm程度と広い領域に渡って強磁性相と非磁性相(磁区構造)が
＞形成されていく様子が明瞭に観察されたことが挙げられる(図3)。これは、2次元における相転移という
＞基礎物理の問題に対して重要な知見を与える結果になると研究グループでは説明している。
2次元イジングモデルみたいなものだろうか

>>11
量子、ホール、液体

ここまでなら俺もイメージできるんだが・・

>>41
Hole(正孔)と勘違いしてない？
このHallは人名のホールですよ

流石に詳しいことはわからんなぁこれは
分数量子ホールはトポロジカル云々やらエニオン云々だと聞いて投げ出した記憶がある
トリオンなんて聞いたこと無かったがちゃんと検出できるほど強く存在するもんなのか…

>>3
ガンダムは頑張ってみたけど無理だったので普通に三行で…

分数量子ホール効果ってのは高磁場・極低温で物質内部で起こるから直接観測するのが難しい
でも図2のトリオンってやつが発する光は分数量子ホール効果が起こっている領域では他の領域とは違った値になるらしい
じゃあその光を精密に観測してやればどの領域が分数量子ホール液体になってるのかわかるじゃん　以上

ちなみに分数量子ホール効果も極簡単に説明すると

ホール効果→電流流れてる物質に磁場掛けたらフレミングの左手により電子が偏って直行する向きに電圧ができる
(整数)量子ホール効果→2次元物質特有の現象。ホール伝導度(=電流/ホール効果の電圧)が低温及び磁場で量子化される
分数量子ホール効果→量子化が整数じゃなくって分数になってる量子ホール効果。上の整数版とは一応別の原因で起こる現象
液体ってのは電子集団が固体みたいにがちがちに動けなくなってるわけじゃないけどある程度の影響を及ぼしながら動いてるって意味

うん、我ながらわかりにくい説明だと思う、すまん(´･ω･｀)

>>17
次元が分数なんじゃなくて量子数が分数
ホール伝導度って物理量がaを単位とするとa、2a、3a、…、(n-1)a、na、(n+1)a、…みたいに係数(n)が整数になるんじゃなくて
(1/3)a、(2/3)a、(1/5)a、(2/5)a、…みたいに(n/m)a、(ただしn、mは整数)の形で係数が分数になる
フラクタルは関係ない

>>40
論文わかるとこだけチラ見したら比較用の数値計算はモンテカルロの2次元イジングっぽいのでやってるね
図を見た限りでは良い一致をしてるからこの相転移もこのモデルから出てくるはず

うむ、わからん

何に使うんだこれ

>>41
うむ。
武の奥さん ま◯こ ヌルヌル

超伝導と同じようにミクロな領域で現れる量子効果がマクロな物性に効いてくるのが面白いとこ

>>1
この粒子はフェルミ粒子とボーズ粒子の組合せで書けるの？
それともクーパー対みたいな感じ？

>>48
エニオンという、2次元電子系に特有の粒子

tes

>>49
それは聞いたことないな。
最初のエキシトンとかの書いてある図をみたら理解できるかな？

液体として振る舞うとあるからなんとなくは想像できるんだけど。

物性物理って細分化専門化が進みまくっててよくわからん

>>49
分数電荷とかわからんな。
確か二次元系でエキシトンの計算をした記憶はあるんだが。

NTTはこんな事もやってるのか

>>1
あーあれなー(´･ω･｀)

量子化か　これ１次元でもやってみてほしいな

職場にも自由に動き回るホールがある。
２個のホールが３本のポールを自由に移動して
液体化すれば、ポール側の認識は3/2個のホール。
こういう理解でいいのかな。

東北大って材料と弱電のイメージなんだが、物理もけっこう盛んなの？

>>58
半導体物性だから材料の延長線上って感じなんじゃない？

>>58
磁性から物性物理への伝統がある。