東北大、量子ホール系における核スピン偏極の相反性を発見

東北大学は4月21日、量子ホールの端状態が存在する構造と存在しない構造で核スピンの偏極特性を比較することで、量子ホール効果のもとになる試料端における方向の決まった電子の流れが核スピン偏極やそれをもとにした抵抗で検出する核磁気共鳴(NMR)に与える影響を明らかにしたと発表した。

同成果は、東北大学大学院理学研究科 平山祥郎教授、長瀬勝美助手、中国吉林大学 Hongwu Liu教授、Kaifeng Yang 研究員、アメリカオクラホマ大学 M. B. Santos教授、T. D. Mishima研究員らのグループによるもので、4月20日付けの英国科学誌「Nature Communications」オンライン版に掲載された。

抵抗で検出するタイプのNMRは半導体量子構造に閉じ込められた電子のスピン状態などを計測したり、将来の量子情報処理に向けて核スピンの量子状態を制御したりすることに用いられてきたが、核スピン偏極が量子ホール効果の基本的な特性とどのように結びつくかにはまだ多くの疑問が残っている。

量子ホール状態で核スピンを偏極するには、異なるスピン状態が島構造を作る状況を利用して、島から島に電子が移るときに、電子スピンが反転すると同時に核スピンが反転する現象「フリップフロップ・プロセス」を利用する。同研究グループはこれまでに、インジウム・アンチモン(InSb)の二次元構造を用いると、この島構造が最も基本的な整数量子ホール効果で実現でき、しかも核スピン偏極ならびに抵抗で検出するNMRが実現できることを見出していた。

整数量子ホール効果において、スピン分離したランダウ準位の磁場中での試料傾斜による交差。右図は垂直磁場を一定に保ちながら全磁場を増加した時のランダウ準位の変化。試料を傾けると1番目のランダウ準位(n=0)の下向きスピン状態と2番目のランダウ準位の上向きスピン状態が交差する。スピン分離したランダウ準位が2つ詰まった状態(充填率2と言う)を考えると、1番下には常にn=0の上向きスピンが存在するので、電子スピンの↑↓の状態と↑↑の状態が交差することになる。交差点では2つの状態の島模様が形成される。InSb二次元系はこの状況が実験室で作れる磁場で容易に実現できる特徴がある (出所:東北大Webサイト)

今回の研究では、この性質を発展させることで、同心円状の電極を持ち試料の端がどこにもない構造(コルビノ構造)と、魚の骨のような形をしており試料の端がある構造(ホールバー構造)で実現し、それぞれの系で核スピン偏極に伴う信号を測定した。

この結果、コルビノ構造では信号は電流の向きを変えても同じであり、測定温度2Kで消失することが確認された。一方、ホールバー構造で測定された信号は、電流の向きにより特性が変化し、さらに6Kの高温まで出現すること、高温の方が電流の向きによる変化が大きくなることがわかった。これは、低温では試料内での核スピン偏極が支配的であるのに対し、高温では試料端の存在が重要な役割を果たすことを示しているといえる。

また、試料端しか信号に効かなくなる3Kの温度を選んで、電流の向き、磁場の向きを変える実験を行ったところ、磁場と電流の向きを同時に入れ替えると同じ端が核スピン偏極に寄与するため同じ信号が得られるが、電流だけ、あるいは磁場だけを反転させると信号が変化することが確認された。

同研究グループは、この核スピンに由来する信号の相反性の発見は、量子ホール端が量子ホール系における核スピン偏極に重要な役割を果たしていることをはじめて明確に示したものであるとしており、量子ホール系における電子スピンと核スピンの相互作用のメカニズムの解明ならびに量子ホール端状態を利用した核スピン偏極とそれを用いた抵抗で検出するNMRに大きく貢献するものと説明している。



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