研究紹介 丸文研究奨励賞 受賞者
量子多体効果に基づく半導体素子の開発と輸送ダイナミクスに関する研究
電子伝導機構の定量的理解に基づく半導体素子の新機能開拓を目指して小林 研介
京都大学 化学研究所准教授

研究の背景とを目指して研究を行い、以下のような成果を得てきた。

極小の半導体素子やキャリア密度の小さい半導体素子においては、バイアス半導体技術は、トランジスタの発明以
来、材料科学と微細加工技術の両方の進展によって大発展を遂げてきた。そして

2. シリコンにおける巨大磁気抵抗効果

1. 量子輸送現象におけるファノ効果の確立

電圧を印加することにより、極端な非平衡状態を生成することが可能である。本研究

現在、膨大な知見の蓄積を活かして、これ電子の波動性と粒子性という量子力学では、代表的な半導体であるシリコンを用までに無いような機能を持つ次世代素子の本質に関わる実験はさまざまな系においいて、空間電荷効果という非平衡多体効の開発が、量子情報技術・強相関科学・スて行われてきた。中でも、半導体ヘテロ構果に基づく電子伝導に注目し、新機能のピントロニクスなどの様々な研究分野で、造を微細加工して作製される人工量子系探索を行った。空間電荷効果とは、キャリ活発に行われてきている。このような研究は、デザインされた実験を高い制御性をもっア密度の小さい半導体に大量のキャリアの目的は、電荷・スピンに基づく量子・多体て行うことのできる系である。特に半導体を注入すると、内部に非一様な電場が生効果を積極的に利用することによって、電中に形成される人工原子における単一電じ、キャリアが互いにクーロン斥力を及ぼし子系の新しい機能を開拓することにある。

子トンネル効果（粒子性）と、電子干渉計あって伝導するようになる現象を指す。本

既存の半導体エレクトロニクスは、古典における干渉効果（波動性）とのせめぎあ

研究では、この空間電荷状態において、シ的な一電子描像で精密に記述される。平いは、電子の量子力学的ふるまいの本質リコンに巨大な磁気抵抗効果を発現させ衡状態の性質だけでなく、非平衡状態でを浮き彫りにするものである。

ることに成功した【4】。
シリコンは、現代の半動作するトランジスタのような能動素子に本研究では、人工原子と電子干渉計を導体産業の中核を担う物質であり、過去対しても、理論は定量的にその振る舞いを組み合わせた「量子複合系」（ 図1）におい50年以上にわたって最もよく研究されてき予言でき、そのことによって、半導体技術はて、ファノ効果というユニークな共鳴干渉た物質の一つであるが、このような巨大な大きな成功をおさめてきた。
しかしながら、量効果が生じることを世界で初めて実証した

磁気抵抗効果は本研究によって初めて明子・多体効果が顕著な次世代素子におい【1, 2】。
さらに、ファノ効果と近藤効果が同らかとなった。特に、室温においてもこの効ては、既存の方法論は、そのままでは適用時に発現したファノ−近藤状態という新し果が顕著に生じること（図2）
は、半導体のできない。
したがって、それらの効果を積極い 多 体 量 子 状 態も実的に利用した新しい電子伝導機構を探索現した【 3 】。このファノ−することや、そのような素子における非平衡近藤効果の実現は、近状態を定量的に理解することは、次世代

藤効果とファノ効果とい素子開発における本質的に重要な課題とう、それぞれ物性物理学なっている。と分光学における二つの典型的な現象を結び研究の成果つける成果である。本研
究における一連の成果

本研究では、微細加工を駆使して作製さによって、量 子 輸 送 現れた極小の素子を主たる舞台として、その象におけるファノ効果のような素子ならではの電子伝導機構を探索普遍性が確立した。

すること、そして、（ 特に非平衡状態の）電子伝導ダイナミクスを定量的に理解するこ

図1 半導体電子干渉計に埋め込まれた人工原子の概念図
干渉計の直径は1µm程度

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丸文研究奨励賞 受賞者

主役であるシリコンに注目すべき新機能が付与されたものといえる。

図3 量子系における「ゆらぎの定理」の検証実験に用いた微小な半導体電子干渉計の原子間力顕微鏡写真と電流ゆらぎ測定系の概略図

3.「ゆらぎの定理」の検証
電子伝導のダイナミクスを定量的に理解することは、新しいメカニズムの探索と並んで重要である。本研究では、そのプローブとして、素子における電流ゆらぎ（電流雑音）に注目した。電流ゆらぎとは、系を通過した電流に含まれるゆらぎ成分（平均値の周りの分散）のことであり、時間平均された電流値では分からない、非平衡電子状態に対する定量的なプローブとなる。本研究では、電流ゆらぎ測定技術の開発から研究衡物理学の新展開を生み出すものと期待かりである。全く新しい現象が発見される可を開始し、数年かけて世界最高レベルの感される。

能性も高い。今後も、量子・多体効果を精度を持つ電流ゆらぎ測定系を構築した【5】。
開発した測定系を用いて、量子系における「ゆらぎの定理」の実験的検証を行った。

密に制御できる固体素子を用いて、独自の高精度の測定を行うことによって、非平衡将来の展望系への適用をも含む広大な未踏研究領域の開拓を行っていきたい。

1950年代に成立した線形応答理論は大本研究によって、電子の量子・多体効果きな成功を収めてきたが、それが適用できるを利用した特色ある電子伝導メカニズムを本研究は、東京大学物性研究所およびのは、系が平衡状態付近にある時に限られ探索していくことや、既存の理論的な枠組京都大学化学研究所において行われたもている。
しかし、1993年、非平衡状態におみを超えて非平衡多体ダイナミクスを定量のであり、両研究所ならびに国内外の多くいても成立する厳密な関係式「ゆらぎの定的に記述することへの端緒が開かれた。
しの共同研究者との共同研究に基づいてお理」が発見された。この定理は、古典系にかし、固体素子の持つ利点を活かしたこのります。共同研究者の皆様に、深く御礼申おいて成立することが実験的に示されてきような研究は、世界的にもまだ始まったばし上げます。

たが、量子系において成立するかどうかは未解明であった。本研究では、電流ゆらぎReferences（参 考 文 献）

測定を半導体電子干渉計に適用することで、非平衡多体量子系におけるゆらぎの定理を世界で初めて実証した【6】（図3）。
また、近藤効果の非平衡状態の検出にも成功した【7】。このような研究は、量子力学と統計力学の両方に関わる根源的な問題に実験的にアプローチしていく端緒を与え、非平

図2 非平衡状態にあるシリコンで発現する巨大な磁気抵抗効果【1】K. Kobayashi, H. Aikawa, S. Katsumoto, and Y. Iye, "Tuning ofthe Fano Eﬀect through a Quantum Dot in an Aharonov-Bohm
Interferometer", Physical Review Letters 88, 256806 (2002).
【2】K. Kobayashi, H. Aikawa, A. Sano, S. Katsumoto, and Y. Iye, "FanoResonance in a Quantum Wire with a Side-coupled Quantum Dot",
Physical Review B 70, 035319 (2004)【3】M. Sato, H. Aikawa, K. Kobayashi, S. Katsumoto, and Y. Iye,
"Observation of the Fano-Kondo Anti-Resonance in a Quantum
Wire with a Side-Coupled Quantum Dot", Physical Review Letters
95, 066801 (2005).
【4】M. P. Delmo, S. Yamamoto, S. Kasai, T. Ono, and K. Kobayashi,"Large positive magnetoresistive eﬀect in silicon induced by the
space-charge eﬀect", Nature 457, 1112 (2009).
【5】M. Hashisaka, Y. Yamauchi, S. Nakamura, S. Kasai, T. Ono, andK. Kobayashi, "Bolometric detection of quantum shot noise incoupled mesoscopic systems", Physical Review B 78, 241303(Rapid Communications) (2008).
【6】S. Nakamura, Y. Yamauchi, M. Hashisaka, K. Chida, K. Kobayashi,T. Ono, R. Leturcq, K. Ensslin, K. Saito, Y. Utsumi, and A. C.
Gossard, "Nonequilibrium Fluctuation Relations in a Quantum
Coherent Conductor", Physical Review Letters 104, 080602(2010).
【7】Y. Yamauchi, K. Sekiguchi, K. Chida, T. Arakawa, S. Nakamura,
K. Kobayashi, T. Ono, T. Fujii, R. Sakano, "Evolution of the Kondo
eﬀect in a quantum dot probed by shot noise", Physical Review
Letters 106, 176601 (2011).