東大ら,量子多体状態の普遍的性質を解明

東京大学と大阪市立大学は,近藤効果には従来の量子液体理論を超えた3つの電子状態間の相関(三体相関)による量子液体補正効果が現れることを,数理的手法を用いて解明した。そして,この性質はナノスケール素子の電流や電流ゆらぎ,熱伝導などの輸送量から観測できることを明らかにした(ニュースリリース)。

最も基本的な電子の多体効果として近藤効果があり多くの研究が展開されている。しかし,実際の物質は,数理解析で仮定される理想的な状態から離れていることがある。つまり,物理状態のもつ対称性(時間反転対称性や正孔対称性)が破れていて物質の性質に重要な役割を果たすことが知られているにも関わらず,量子液体状態励起状態への影響は最近まで未解明だった。

電子が量子ドットと呼ばれる半導体などで作られた数十ナノメートル程度の素子に閉じ込められた状態を考える。例えばカーボンナノチューブなどで作られた量子ドットでは,電子の閉じ込め領域の形状の対称性が高くなる。この結果,量子ドットには電子の持つスピンに加えて,運動の軌道と閉じ込められた電子の数に起因した磁気モーメントが発生する。

この量子ドットに電極を取り付けることで,閉じ込められた電子の数を制御することができ,電子正孔対称性の破れた状態で近藤効果を制御できるようになる。研究グループは場の理論と励起状態を取り扱うための数理手法を駆使し,この近藤効果による励起状態の振る舞いには従来のフェルミ液体を超えて三つの電子状態間の相関によるフェルミ液体補正効果が重要な役割を果たすことを解明した。

この三電子の相関は,特に形状の対称性が非常に高く複数の軌道を持った量子ドットで顕著に現れる。例えば電子スピンのみによる近藤効果では,電子の数を変えようとすると近藤効果そのものが消失してしまうため,近藤効果へのフェルミ液体補正効果を観測することが難しい。

研究グループはさらに場の理論の手法を援用した数値シミュレーションを行なうことで,非線形の電流や電流ノイズ,熱伝導度などの輸送量から実際の実験でフェルミ液体補正効果が観測可能であることを明らかにした。また,この数値シミュレーションを利用することで,量子ドットに磁場を印加したときの非線形電流ノイズ振る舞いにスケール普遍性があることがわかった。

磁場を印加すると量子ドットは時間反転対称性を失い,フェルミ液体補正効果が現れる。このことから,三体のフェルミ液体補正効果は,従来のフェルミ液体と同様にナノスケール物質の詳細によらない普遍的性質を持つことも明らかになった。

研究グループはこの成果について,さらに広い範囲な量子液体状態の性質の解明,および新物質や量子情報などの分野と繋がるものとしている。

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