機能物質科学研究部
半導体量子ドットを格子状に並べてドット間を電子が移動できるようにした系を量子ドット超格子と呼ぶ。一つのドットを人工原子と見なすと、量子ドット超格子はいわば人工結晶とも言える。半導体ドットを用いて人工結晶を作ることには様々な利点がある。まず格子構造が自由に設計できるので、自然界に存在しないような格子構造も作ることが出来る。また半導体においては電子濃度を変えられるので、電子物性を自在に制御できる。これらの利点のために、通常の物質結晶が受けてきた様々な制約にとらわれることなく、意図した物性が発現するように物質設計を行うことが可能となる。我々はこれまでに、ある特定の格子構造を持った量子ドット超格子が強磁性を発現し、それが実験的に観測可能であることを提案してきた[1]。
最近我々は、図１のような量子細線ネットワークを設計すると実効的に量子ドット超格子が形成され、そこで強磁性が発現することを示した[2]。局所スピン密度汎関数（ＬＳＤＡ）法を用いた電子状態計算を行うと、我々が設計した0.104μm幅のInAs量子細線は実効的に平坦バンドを持つカゴメ格子を形成し、その平坦バンドに電子が半分詰まったときに強磁性が基底状態となる(図２)。この強磁性は電子濃度を増減することによって自在にスイッチオン・オフが出来ることも示した。
このようなドット超格子のアイディアを拡張すれば、強磁性の他にも様々な電子物性が期待できる。近い将来半導体ナノテクノロジーの進歩によって、超伝導をはじめとするさらに興味深い現象が観測できることが期待される。
[1] H. Tamura, K. Shiraishi, and H. Takayanagi, Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) L241.
[2] K. Shiraishi, H. Tamura, and H. Takayanagi, Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 3702.
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