研究・教育分野
ナノサイエンス・メゾスコピック系の量子物理
我々の周りには、小型で高性能の電子機器であふれています。空港や喫茶店で気軽にインターネットにつなぐ、といったことも日常の風景となっています。これは1950年頃の半導体トランジスタの発明とその集積化に端を発する、半世紀にわたる半導体微細集積化技術の進歩の賜物といえるでしょう。これまで「集積されるトランジスタの数は２年で倍増する」というムーアの法則に従って微細化が進んでおり、いまでは半導体素子（デバイス）のプロセスルールは数１０ナノメートルにまで到達しています。このような微細構造では量子力学に起因する問題が表にでてきます。その代表例は、トンネル効果による漏れ電流に伴う発熱です。その一方で量子力学を積極的に用いた固体電子素子も検討されるようになっています。
固体電子デバイスは基礎物理の観点からも興味深い研究対象です。これらの微細構造では量子状態を制御できるため、量子力学の「思考実験」を実現することができます。代表例はGaAsの界面２次元電子系をベースにつくったアハロノフ・ボームリング（図）による電子波の干渉実験です。現在、単一原子、分子、超伝導、磁性体等の様々な物質をもちいて、量子コンピュータやスピントロニクスなど多彩な研究がなされています。
そのなかで我々は、量子素子にまつわる物理を、様々な角度から研究し、現象の背後にある普遍性を明らめたうえで、新機能の提案を目指しています。メゾスコピック系は多彩な魅力に富んでます。①量子素子などナノ構造では低次元性により電子相関が増強され、近藤効果や分数量子ホール効果に代表される新奇な量子多体状態が実現されます。②量子素子はサイズが小さいため、熱力学ではわすれてよい「揺らぎ」が顕著になるうえ、動作点が非平衡状態にあるため、非平衡量子熱・統計力学の研究対象にもなっています。
参考書：物理学叢書 メソスコピック物理入門 イムリー著、樺沢宇紀訳 （吉岡書店 2000 出版）
これまでの研究
学生の皆さんへ
４年生からは研究室に配属され、後期には各自テーマに沿って卒業研究を行います。テーマは発展性があると私が思うものの中から選んでいただいています（以下を参考にしてください）。もし私がアドバイス出来そうなもので、各自で取り組んでみたいテーマがありましたら、そちらを優先いたしますのでご相談ください。
２０１３年度
「量子ポイントコンタクトの有限温度における粒子流の確率分布の解析」（卒研）
「MRAMの小型化における熱揺らぎの影響」（卒研）
２０１２年度
「直交座標系でのスピントルクによる磁化ダイナミクスの数値シミュレーション」（卒研）
「極座標での反磁場中のスピン偏極電流と熱揺らぎによる磁化反転の数値シミュレーション」（卒研）
「確率微分方程式の数値計算法」（卒研）
２０１１年度
「ナノスケールのMRAMにおける熱揺らぎの影響」（修論）
「量子系におけるフォノン流の分布」（卒研）
「半導体量子ドットにおけるスピントロニクス」（卒研）
２０１０年度
「ナノ系におけるメモリ消去に伴う発熱」（卒研）
「２重量子ドットエネルギー準位への核スピンの影響」（卒研）
研究は授業とはちがって、未知の現象について、解決への糸口を模索し、知識と技術を発展させて、答えを導いてまとめ、公表するという一連の作業を主体的に行います。研究に必要な専門知識の大半は実地で身につきますが、基礎となる知識は授業（物理数学・解析力学・統計力学・量子力学・量子物理学・電磁気学・熱力学・統計力学・固体物理・物性物理）で学んでおくと、研究を進める上でたいへん役に立つことでしょう。この他にもLinux、Latex、Fortran、Matlab、Mathematicaを数値計算や論文作成で用いますが、これらも実地で身につきますので心配はありません。また数式や計算機を日常的に用いますので、数学や計算が好きなほうがよいかもしれません。
図：量子ドット‐アハロノフ・ボーム干渉計（京大化研小野・小林研究室による）