研究紹介
丸文学術賞受賞者

新見 康洋

大阪大学 大学院理学研究科准教授

微小伝導体内の電子の量子コヒーレンスとスピン輸送の研究
デバイス応用に資する基礎物性の定量評価方法の確立
研究の背景

量子デコヒーレンス問題として1980年代示した【1】。これはフェルミ液体論を支持すから研究されてきた。例えば、高温ではフォるもので、長年の論争に終止符を打つ決ある特徴的な長さ以下の微小導体中でノンとの相互作用によって、電子の波動定打となった。
さらにこれは、将来の量子は、量子性が顕著に発現し、バルク結晶と関数の位相は乱される。
フォノンの影響がコヒーレンスを用いたデバイス作製の指針は大きく異なる伝導特性が現れる。このよ無視できる低温でも、電子間の相互作用も与える重要な結果である。

うな舞台はメゾスコピック系と呼ばれ、これによって位相は乱されるが、温度ゼロの極までにアハラノフ・ボーム効果などの量子限では、非弾性散乱時間が発散的に長2. グラファイトにおける力学的な効果の検証や、半導体及び超伝くなることはランダウのフェルミ液体論から局所電子状態の解明

導体を用いた量子コンピュータへの応用な説明できる。
しかし、フェルミ縮退した電子グラファイトの2次元的な電子状態は、長ど、幅広い分野にわたって研究が行われて同士には、内因的に量子コヒーレンスをい歴史を持つ研究テーマである。その端にいる。一方、磁性分野から発展してきたスピ壊す「内因的デコヒーレンス」のため、非は、ジグザグとアームチェアの2種類の形状ントロニクスでも同じように微小磁性体を扱弾性散乱時間が極低温度で一定値になが存在する。藤田らは、ジグザグ端にのみい、巨大磁気抵抗効果をはじめとする様々る実験、及びそれを支持する理論が相次「グラファイトエッジ状態」と呼ばれるユニーな現象が発見されてきた。これらの現象をいで1990年代後半に提唱されたため、そクな局在状態が現れることを1996年に理積極的にデバイス応用するためには、微小れ以降大きな論争となっていた。

論的に予言した【2】。
これはコヒーレンスのも伝導体内の電子の量子コヒーレンス及びそこでこの研究では、不純物がこれまでたらすトポロジカルな効果の代表例である。

スピンのコヒーレンスなどの基礎物性の根の実験よりも圧倒的に少ない半導体2次

この研究では、走査トンネル顕微・分光法本的な理解が必要不可欠となる。

元 電 子 系を用いて、非 弾 性 散 乱 時 間を（STM/STS）を用いて、ジグザグ端にのみ

上記のような背景の下、本研究では、半0.02 Kまで精密に測定した結果、一定値グラファイトエッジ状態が存在することを導体、半金属、金属磁性体、超伝導体などに近づくことはなく、発散的な振る舞いを初めて実験的に証明した
（図2）
【3】。
さらに、様々な物質を、微細加工技術を用いて微小化し、そこに現れる電子の量子コヒーレンスとスピンのコヒーレンスの定量評価を行った（図1参照）。また微細化したスピントロニクスデバイスを用いて、メゾスコピック系特有の現象も見出した。以下に3つの例を挙げて、それらの詳細を説明する。

研究の成果
1.「内因的デコヒーレンス問題」の解決
半導体及び超伝導体を用いた量子コンピュータへの応用を見据えたとき、最も解決しなければならない問題の一つが、量子デコヒーレンスの問題である。固体中に波として広がる電子は、様々なものと相互作用することで、波動関数の位相の情報を失い、量子状態を保てなくなる。これは図1 本研究の位置付けと将来展望

丸文学術賞 受賞者
磁場中でグラファイト表面に形成されるランダウ準位をSTM/STS観測し、不純物付近で量子ホール効果の局在・非局在状態の実空間観察にも成功した【4, 5】。

図2 グラファイトのジグザグ端の模式図（a）とトンネル分光の結果（b）。
ジグザグ端に近づくにつれて、フェルミエネルギー付近の状態密度が増大する。
（b）トンネル分光（a）ジグザグ端以上の研究は、グラフェンの発見とほぼ同時期に行われたものである。近年のグラフェン及びトポロジカル物質研究の興隆に先立って、コヒーレンスとトポロジーのもたらすユニークな局所電子状態を可視化した
先駆的な研究と位置付けられる。
3. 高効率スピン流検出手法の確立とそれを用いた応用研究
電子のもつスピンの自由度を積極的に利用したスピントロニクスデバイスでは、スピ的に増大させることに成功した【6, 7】。また

限に活かした精緻かつ定量性の高い研究微細化したスピントロニクスデバイスを用いであり、科学技術の進展並びに次世代のて、これらの定量的な評価方法を確立させ産業創出に資するものである。
さらに最近、グラフェンに限らず、超伝導た【8】。

ンのコヒーレンス、さらにスピン角運動量のスピン流はスピン角運動量の流れであるや磁性などの特性をもつバルク結晶を機流れ「スピン流」の生成、検出、制御が重要ため、物質中の磁気状態を探るプローブと械的に劈開することで原子層レベルの薄な課題となる。
この研究では、スピン軌道相して利用することが可能となる
（図3）
。具体

膜を作製でき、これまでの材料では実現で互作用の弱い銅に、スピン軌道相互作用的には、磁気転移温度近傍の弱強磁性体きなかった人工結晶系を構築することがでの強いイリジウムやビスマスをごく微量添加【9】、磁気状態が複雑なスピングラス【10】、さきるようになってきた。今後は、このようなすることによって、スピン流の検出効率を劇らには基底状態でクーパー対を形成する超人工結晶に対しても、本研究で行ったよう伝導体【11, 12】にスピン流を注な量子コヒーレンス及びスピン輸送測定を入することで、これらの対象物適用することで、これまでの単純な物質で質の磁気的な特性が得られるは実現できなかった新しい機能を開拓でき新しいプローブになることを実る可能性がある（図1参照）。

図3 銅にビスマスを添加して増強されたと、スピン流検出効率（αH ∝ C / S ）これをスピングラス（CuMnBi）における磁気ゆらぎの検出に利用した例証した。
謝辞

将来の展望

本研究は、様々な場所でお世話になった多くの方々のご支援、ご協力の下に行上 述したように本 研 究では、われたものです。東京大学大学院理学系

様々な材料を舞台とした微小研究科の福山寛教授、ネール研究所の伝導体内の電子の量子コヒー

Christopher Bäuerle教授、東京大学レンスとスピン輸送現象を、多物性研究所の大谷義近教授、大阪大学様な実験手法で解明してきた。

大学院理学研究科の小林研介教授を始

これらの成果は、いずれも個々め、共同研究者の方々にはこの場を借りの微 小 伝 導 体の特 徴を最 大て深く御礼申し上げます。

References（参考文献）【1】Y. Niimi, Y. Baines, T. Capron, D. Mailly, F.-Y. Lo, A. D. Wieck, T. Meunier, L. Saminadayar, and C. Bäuerle,Phys. Rev. Lett. 102, 226801 (2009); Phys. Rev. B 81, 245306 (2010).
【2】M. Fujita, K. Wakabayashi, K. Nakada, and K. Kusakabe, J. Phys. Soc. Jpn. 65, 1920 (1996).
【3】Y. Niimi, T. Matsui, H. Kambara, K. Tagami, M. Tsukada, and H. Fukuyama, Appl. Surf. Sci. 241, 43 (2005); Phys. Rev. B 73, 085421 (2006).
【4】Y. Niimi, H. Kambara, T. Matsui, D. Yoshioka, and H. Fukuyama, Phys. Rev. Lett. 97, 236804 (2006).
【5】Y. Niimi, H. Kambara, and H. Fukuyama, Phys. Rev. Lett. 102, 026803 (2009).
【6】Y. Niimi, M. Morota, D. H. Wei, C. Deranlot, M. Basletic, A. Hamzic, A. Fert, and Y. Otani, Phys. Rev. Lett. 106, 126601 (2011).
【7】Y. Niimi, Y. Kawanishi, D. H. Wei, C. Deranlot, H. X. Yang, M. Chshiev, T. Valet, A. Fert, and Y. Otani, Phys. Rev. Lett. 109, 156602 (2012).
【8】Y. Niimi, D. H. Wei, H. Idzuchi, T. Wakamura, T. Kato, and Y. Otani, Phys. Rev. Lett. 110, 016805 (2013).
【9】D. H. Wei, Y. Niimi, B. Gu, T. Ziman, S. Maekawa, and Y. Otani, Nat. Commun. 3, 1058 (2012).
【10】Y. Niimi, M. Kimata, Y. Omori, B. Gu, T. Ziman, S. Maekawa, A. Fert, and Y. Otani, Phys. Rev. Lett. 115, 196602 (2015).
【11】T. Wakamura, H. Akaike, Y. Omori, Y. Niimi, S. Takahashi, A. Fujimaki, S. Maekawa, and Y. Otani, Nat. Mater. 14, 675 (2015).
【12】M. Tokuda, N. Kabeya, K. Iwashita, H. Taniguchi, T. Arakawa, D. Yue, X.-X. Gong, X.-F. Jin, K. Kobayashi, and Y. Niimi,Appl. Phys. Express 12, 053005 (2019).