スピントロニクスにおける量子不純物の研究

量子ドットとはドブロイ波長程度の領域に電子を閉じ込めた構造で，スピンの自由度のみが残っています．これにソースおよびドレイン電極をとり付けると単一電子で動作するトランジスタとなります．また電子はトンネル効果により電極側にわずかに浸み出し，遍歴スピンとスピンを交換できます．さてスピン演算子の非可換性およびパウリの排他律による散乱状態の制限から，低温・低電圧ではスピン交換が対数関数的に増強され，フェルミ準位近くに鋭い共鳴状態ができます．この共鳴状態は微分コンダクタンスなどの物理量にも対数的な依存性（零バイアス異常）を引き起こします．これは近藤効果とよばれる基本的な量子多体効果です．量子ドットで実現される近藤効果は電極材料をかえたり外部から振動電場をかけるなどして自在に制御できるため，多面的に研究がなされてきました．

電極に強磁性体材料を用いると近藤効果はどうなるでしょうか？まず近藤共鳴状態も遍歴電子のスピン分極を反映して，スピン分極します．それに加えて，電極への波動関数の浸み出しも影響を受けます．まずドットのスピンが強磁性体電極の多数スピンと同じとき[図 a]，波動関数は電極側に浸み出しやすくなります．一方反対向きのときは，波動関数は電極側に浸み出しにくくなり[図 b]，エネルギーの利得は減ります．そのため量子ドットのスピンは電極の多数スピンと同じな方が安定です．この磁性的相互作用はスピンの反転散乱を抑え，その結果，近藤共鳴状態を抑えます．このために零バイアス異常は分裂[図 c]することを予言しました[1,2]．これはニッケルのブレーク・ジャンクションにフラーレンを挟んだ構造などで実験がなされています[3]．

[1] J. Martinek, Y. Utsumi, H. Imamura, J. Barnas, S. Maekawa, J. König, G. Schön:"Kondo effect in quantum dots coupled to ferromagnetic leads", Phys. Rev. Lett. 91, 127203 (2003)

[2] Y. Utsumi, J. Martinek, G. Schön, H. Imamura, S. Maekawa: "Nonequilibrium Kondo Effect in a Quantum Dot Coupled to Ferromagnetic Leads", Phys. Rev. B 71, 245116 (2005)

[3] A. N. Pasupathy, R. C. Bialczak, J. Martinek, J. E. Grose, L. A. K. Donev, P. L. McEuen, and D. C. Ralph, Science 306, 86 (2004).