電子スピンのコヒーレントな分離現象を観測
東京大学物性研究所の橋坂昌幸 准教授らは、NTT物性科学基礎研究所の清水貴勢 研究員、東海大学理学部 伊與田英輝 准教授らと共同で、量子ホールエッジ状態上における単一電子スピンのコヒーレントな分離現象を観測しました。また、空間的に分離されたスピン励起の間に量子エンタングルメントが生じることを理論的に明らかにしました。
量子ホール系の試料端に生じるカイラルエッジ状態は、電子のコヒーレント伝導チャネルとして働くことが知られています。また、複数のエッジチャネルが並走する系は、エッジチャネル間の相互作用により、朝永ラッティンジャー液体モデルで記述される電子ダイナミクスを示します。これまでに、スピン電荷分離現象など、並走エッジチャネルにおける電子の分離現象が詳しく調べられてきました。ところが、単一電子が空間的に分離される際に、元々の電子の量子コヒーレンスが保たれるかどうかは調べられていませんでした。
本研究では、電子の分離が生じたのちに量子干渉効果を測定することにより、分離現象の量子コヒーレンスを調べました。実験では、それぞれスピンアップ、スピンダウンの電子を運ぶ並走エッジチャネルを用い、マッハ・ツェンダー干渉計と呼ばれる量子デバイスを構築しました（図1）。干渉計のパス内で分離現象を発生させて、量子干渉パターンに対する影響を調べました。その結果、電子の波動関数の干渉（1次の干渉効果）に加えて、分離された電子スピンの間の強度干渉（2次の干渉効果）が観測されました。これは、単一電子のスピンがコヒーレントに空間的に分離されたことを示す実験結果です（図2）。
また、このマッハ・ツェンダー干渉計について、ボソン化法を用いた計算によって干渉パターンをシミュレートし、実験結果との比較を行いました。これにより、分離したスピンの伝播速度などの定量的な評価が可能になりました。さらに、分離したスピン間のエンタングルメント・エントロピーを計算し、スピン励起間に量子エンタングルメントが生じることを明らかにしました。これは、単一の電子スピンからエンタングルしたスピン対を生成できることを意味し、超伝導接合におけるクーパー対分離とのアナロジーとして解釈することもできます。トポロジカルエッジ状態における量子多体効果がもたらす新現象、新機能として、重要な知見といえます。
発表論文
- 雑誌名: Physical Review B
- 論文タイトル： Coherent electron splitting in interacting chiral edge channels
- 著者： Eiki Iyoda, Takase Shimizu, Masayuki Hashisaka
- DOI: 10.1103/PhysRevB.111.165414
- 雑誌名: Physical Review B
- 論文タイトル： Mach-Zehnder interference of fractionalized electron-spin excitations
- 著者： Takase Shimizu, Eiki Iyoda, Satoshi Sasaki, Akira Endo, Shingo Katsumoto, Norio Kumada, Masayuki Hashisaka
- DOI: 10.1103/PhysRevB.111.L161406