曲面型ナノ構造体における超伝導発現メカニズムの解明とナノ冷却素子への応用

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微細加工技術の進展により、量子力学的効果が顕著に現れるデバイス素子が作成されている。従って、その機能を引き出すためにはデバイスの効率的冷却が必要となる。冷却の際に、超伝導体-絶縁体-常伝導帯接合したナノスケールの細線状物質の利用が考案されており、そこでの冷却効率を求めるためには電子格子緩和過程の詳細な理解が重要となる。また、接合部から発生する電磁波が細線中を伝搬する効果も取り入れる必要がある。一方、ナノスケール細線においては、原子構造の幾何学的捩れが電子と電磁波に異なる効果を及ぼす可能性がある。そこで本年度は、捩れ構造を有するナノスケール細線中を運動する電子及び伝搬する電磁波に対する捩れの効果を考察した。その結果、電子の運動及び電磁波の伝搬は質的に異なる方程式で記述されることが明らかとなった。これは、捩れていない細線中の両者の振る舞いが同じ形式の方程式で記述可能であることと対照的である。また、捩れ細線をリング形状にした捩れ量子リングにおけるコンダクタンスを数値計算により求めた。その結果、考察した系においては捩れに起因する干渉効果により、特異なAharonov-Bohm (AB)効果が生じることを明らかにした。通常のAB効果との最も重要な相違点は、系のコンダクタンスが外部磁場ではなく外部電流により変化することである。これらの結果は、捩れたナノスケール細線中の電子格子緩和過程から冷却効率を求める際には、電磁波との相互作用が重要であることを意味している。今年度得られた研究成果は、ナノスケール冷却素子の理論的デザインに対する重要な基礎的知見を与えるものである。