熊田倫雄1 村木康二1 平山祥郎2
1量子電子物性研究部 2東北大学
半導体へテロ構造によって形成された高移動度二次元電子系に磁場を加えることによって生じる量子ホール系は、運動エネルギーがランダウ量子化されることにより多数の電子が単一の運動エネルギーを持つ理想的な低次元強相関系である。特に、二次元電子系を２層近接配置した２層系では、層の自由度に関するエネルギーギャップをゲートにより外部から制御することにより、多彩な量子ホール磁性と呼ばれる自発的対称性の破れを伴った状態が現れる。我々は２層量子ホール系における核磁気共鳴（NMR）測定技術を確立し、量子ホール磁性状態における電子スピン物性を調べている[1-3]。
NMR測定は電子スピン状態を測定するのに有効な手段である。ただし、低次元系では核スピンの数が少ないために、核スピンが作る磁場を測定する通常のNMR技術を用いることができない。そこで、我々は核スピンを電流により動的に偏極し、その偏極率を二次元電子系の電気抵抗により高感度に検出する方法を用いて測定を行った。その結果、２層系ν=2量子ホール状態には強磁性状態、傾角反強磁性状態、スピン一重項状態と3種類の磁性状態が存在することを明らかにした[3]。特に、傾角反強磁性状態では、50
mKという極低温においても電子スピンは凍らず揺らぎ続けるという二次元系特有の現象を明らかにした[2]。これは高移動度半導体において実現された、不純物や結晶の異方性による影響のない、理想的な連続的対称性を持った二次元系で実験を行った結果である（図）。
この成果は、半導体量子構造において電子状態を制御し、それをNMR測定により観測するという実験手法が低次元物性の解明に有効であることを示している。
[1]N. Kumada, et al., Phys. Rev. Lett. 94 （2005） 096802.
[2]N. Kumada, K. Muraki, and Y. Hirayama, Science 313 （2006） 329.
[3]N. Kumada, K. Muraki, and Y. Hirayama, Phys. Rev. Lett. 99 （2007） 076805.
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