Theoretical study on control and observation of quantum states by many-body effects using mesoscopic complexes

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近藤効果は典型的な量子多体効果であり、多彩な物質系や人工系において観測されてきた。近藤効果の典型的なエネルギースケールは近藤温度と呼ばれ、近藤効果による物性を調べる際に鍵となる重要な量である。近藤効果は低温で、不純物原子や量子ドットの磁気モーメントがそれに結合した伝導電子によって一重項を形成し、磁気モーメントを消失するクロスオーバー現象である。そのため観測された物理量のクロスオーバー過程の温度として、大雑把に決めることがよく行われてきた。しかし、近年、人工量子系では低エネルギーでの精緻な物性測定が可能になり、近藤効果によって掲載された局所フェルミ流体状態の詳しい探索が集中的に行われている。その際には、局所フェルミ流体理論によって定義された近藤温度と定量的整合するように測定することで、局所フェルミ流体状態の多くの物性を定量的に明らかすることが可能になる。我々は、近藤温度を定量的に決める方法として、基底状態における磁場依存性に現れる普遍スケーリング特性を利用することを提案した。量子ドットの近藤効果の電流が磁場によって抑制される時、コンダクタンスがゼロ磁場の値の半値を与える磁場の強さには近藤温度と比例関係がある。この比例定数を厳密解を用いて特定した。さらに、コンダクタンスの磁場依存性を簡素な解析式で与えられながらも信頼性の高い経験則式を、厳密解と最小2乗法を用いて導出した。これも実験データへの曲線あてはめに利用することで近藤温度の導出に用いることができる。さらに我々は、この手法を実際のカーボンナノチューブ量子ドットで観測された実験に適用して、近藤温度の解析を行った。その結果、コンダクタンスの磁場依存性の普遍特性の再現に成功し、ゲート電圧依存性も定性的に理論とよく合うことを確認できた。この手法は量子ドットに限らず、温度の制御の難しい冷却原子系などで特に有用な新しい方法である。