量子ドットにおける新しい近藤効果

藤澤利正 佐々木智
量子物性研究部

 電子を半導体微小領域に閉じこめた量子ドットでは、電子は量子力学的二重性(粒子性と波動性)を示し、量子ドット中の電子の個数を正確に制御できるとともに、波動性によって離散的なエネルギー状態が形成される。また、量子ドットでは電子スピンに起因する多くの現象が観測されている。このような量子ドットの電子状態が通常の原子のものと類似していることから、量子ドットは人工原子とも呼ばれている。量子ドットでは、単一の電子スピンを制御できることから、量子コンピュータなどの量子情報処理を実現する素子(量子ビット)への応用が期待されている。量子ビット間の相関を操る量子ゲートの可能性を探るためにも、電子スピンの相関現象である近藤効果の研究が注目されている。
 量子ドットの近藤効果は、量子ドット中の電子スピンと、量子ドット近傍にある電極の電子スピンとの相互作用によって引き起こされる量子力学的な協同トンネル現象である。クーロンブロッケードによって電流が抑制されている場合でも、量子ドット中に電子スピンがあると、電極の電子スピンとペアを作ることによってトンネル電流が流れる。通常は、量子ドットの電子数が偶数の場合は全スピン=0、奇数の場合は全スピン=1/2なので、奇数の場合にのみ近藤効果が現れる。低温極限では、伝導度はユニタリー極限と呼ばれる2e2/hまで上昇し、量子的な近藤効果によって古典的なクーロンブロッケードは消失する(図1(a))。我々は、制御性の高い微小量子ドットによってユニタリー極限を実現するとともに、電子波干渉実験によって近藤効果によって流れる電子の可干渉性を検証することに成功した[1]。さらに、量子ドットの磁場制御によって特殊なスピン縮退状態での新奇な近藤効果を見い出した。ここでは、図1(b)のように電子数が偶数であっても、一重項状態と三重項状態が縮退した場合に量子ドットのとりえるスピン状態の数が多くなるため、より顕著な近藤効果が現れている [2]。これらの結果は、量子ドットが優れた電子スピン相関の制御性を有することを示している。 本研究は、デルフト工科大L.P.Kouwenhoven教授、東京大学(ERATO,NTT)樽茶清悟教授らとの共同研究である。

[1] W. G. van der Wiel et al., Science 289 (2000) 2105.
[2] S. Sasaki et al., Nature 405 (2000) 764.

図1(a)量子ドットの伝導度の温度依存性(概念図)、(b)一重項と三重項が縮退した場合、電子数が偶数(N=6)でも近藤効果が観測される。

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