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

　私たちの身の回りは、小型で高性能な電子機器であふれています。どこでもスマートフォンでインターネットにアクセスするのも日常的な光景です。これらは、1950年代に始まった半導体トランジスタの発明と集積化技術の進歩によるものであり、半世紀以上にわたる微細化の成果と言えます。トランジスタの集積度が2年で倍増するという「ムーアの法則」に従い、半導体素子の微細化が進み、現在では十ナノメートル程度に到達しました（ナノは1/1000000000）。このような微細構造では、量子力学的な現象が顕著になります。代表例として、トンネル効果による漏れ電流やそれに伴う発熱が挙げられます。一方で、量子力学を積極的に活用した量子素子の研究も進んでいます（素子とはトランジスタなど回路の基本単位の部品のことです。デバイスということもあります）。

　量子素子は、基礎物理学の観点からも非常に興味深い対象です。これらの微細構造では、量子状態を制御することで、量子力学における「思考実験」を実現できます。例えば、GaAsの界面2次元電子系を用いたアハロノフ・ボームリングを使った電子波の干渉実験は、その代表例です。現在、単一原子や分子、超伝導体、磁性体などを用いた研究が進行しており、量子コンピュータやスピントロニクスといった分野で多彩な成果が期待されています。

　我々の研究は、量子素子に関連する物理現象や情報処理過程を種々の方面から探求し、その背後にある普遍的な原理を明らかにすることで、新しい機能の提案を目指しています。メゾスコピック系の魅力は多岐にわたります。まず、①ナノ構造における低次元性により、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現れることがあります。また、②量子素子はその小さなサイズゆえに、通常の熱力学では無視される「揺らぎ」が顕著になり、非平衡状態で動作するため、非平衡量子熱・統計力学の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）

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（現：東京大学小林研究室）による）

現在およびこれまでの研究

学生の皆さんへ

４年生からは研究室に配属され、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。

　研究は授業とは異なり、未知の現象について解決の糸口を探し、知識や技術を発展させ、答えを導き出してまとめ、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多くは実地で身につきますが、基礎知識がしっかりと身についていることが最低限必要となります。そのため、授業（数学全般、解析力学、電磁気学、熱力学、統計力学、量子力学、物性物理）で基礎をしっかり学んでおいてください。学術研究の場での「基礎」はある程度のレベルが求められます。講義は知識体系が習得できるように構成されていますので、その場で理解できなくても、後から「勉強したことがある」と思い出し、独習できる程度には取り組んでください。そして、「分からないこと」、「分かったつもりで分かっていないこと」、「完全に理解していること」を客観的に区別できるようになれば、研究を進める上で非常に役立ちます。

加えて、Python、Mathematica、LaTeX（LinuxおよびFortranを含む）なども数値計算や論文作成に用いますが、これらは実地で習得できるため、心配はいりません。また、研究では数式や計算機を日常的に扱うため、数学や計算が好きであることが望ましいでしょう。

年度卒業論文題目

2024 Büttiker のモデルに基づく量子点接触の透過確率の WKB 近似

2024 位相推定アルゴリズムについて

2023 メモリスタの理論解析

2023 ブラウニアン回路をグラフィカルに作成する手法

2023 RL 回路を用いたリザバーコンピューティングの検証

2023 量子計算と Qiskit

2022 2 準位系の熱機関

2022 LLG 方程式とマイクロマグネティックシミュレーション

2022 順伝搬型ニューラルネットワークとその実装

2022 Renyi エンタングルメントエントロピーと完全計数統計