小林研介(大阪大学大学院理学研究科教授)、Meydi Ferrier（元・同理学研究科特任研究員および現・パリ南大学講師）、荒川智紀（同理学研究科助教）および秦徳郎・藤原亮（同理学研究科大学院生）らは、小栗章(大阪市立大学大学院理学研究科教授)および阪野塁（東京大学物性研究所助教）らの研究グループとの共同研究において、微細加工技術を用いて作製された人工原子を用いて、カーボンナノチューブの構造を利用した異なる2種類の近藤状態を作りだし、世界最高水準の電流雑音測定によって、近藤状態の種類と量子ゆらぎの関係を解明しました。

近藤効果とは、1つの電子のスピン の周りに沢山の電子が集まり、一体となって新しい状態（近藤状態）を形成する現象です。代表的な量子多体現象であり、電子のスピンの向きがゆらぐこと（量子ゆらぎ）が本質的な要因となっています。また、人工原子に閉じ込められた電子が、スピンだけでなく、運動方向などの自由度も持っているときには、より多彩な近藤状態が生じることが知られています。 （図1）

本研究では、近藤状態の種類に応じて、その量子ゆらぎの大きさが異なることを世界で初めて実証しました。近藤効果と量子ゆらぎは、ともに物理学の中心的な課題ですが、本成果は、量子多体現象のより深い理解と量子ゆらぎの制御につながるものであり、物質の新機能開拓など、今後の物質科学の発展に貢献していくものと期待されます。

本研究成果は、2017年5月8日（月）（米国時間）に「Physical Review Letters」のオンライン版に発表される予定です。

図1　(a)カーボンナノチューブ人工原子の概念図。人工原子内にある電子の個数は、ゲート電極によって、一個単位で制御できます。電子はスピン自由度（青矢印）と運動の自由度（チューブを取り囲む赤い矢印）を持っています。これらの自由度によって、SU(4)対称性を持った近藤効果が生じます。(b)近藤状態の概念図。青い部分が電極を表し、黄色い部分が人工原子を表しています。磁場を印加していくとSU(4)近藤効果からSU(2)近藤効果に連続的に移り変っていきます。

近藤効果とは、固体中にある磁性不純物のスピンが、その周りの電子のスピンと結合した新しい状態（近藤状態）を作ることによって生じる、量子多体現象の1つです。微細加工技術によって作製される「人工原子」と呼ばれる微小な電子回路では、電子の数を一個ずつ制御することによって、近藤効果を詳しく研究できます。

通常の近藤効果は、電子の持つスピンの自由度（上向き／下向き）の量子ゆらぎによって生じます。しかし、電子が運動方向などの自由度も持っている場合、異なる量子ゆらぎが発生し、種類の異なる近藤効果が生じます。自由度がスピンだけの場合、「SU(2)近藤効果」と呼びます。これがもっとも基本的な近藤効果です。しかし、自由度が多くなると「SU(4)近藤効果」などが実現します。

このような多彩な近藤効果は、「重い電子系」などの物質科学において盛んに研究されてきましたが、人工原子において自由度の数を人為的に制御できれば、より定量的な理解が可能となります。近藤効果による量子ゆらぎは電流雑音に非常に小さな信号として現れることが知られていましたが、その検出には、世界最高水準の電流雑音測定技術の開発が必要でした。本研究は、近藤効果の種類とと量子ゆらぎの関係を世界で初めて解明したものです。

小林教授らの研究グループは、カーボンナノチューブを用いて人工原子を作製し、人工原子を通過する電流を測定することによって、その状態を精密に調査しました。人工原子内の電子は、スピン自由度（上向き／下向き）の他に、チューブを取り囲む運動方向の自由度（右回り／左回り）を持っています （図1(a)） 。研究グループは、人工原子を制御することによって、理想的なSU(4)近藤状態を実現しました （図1(b)） 。さらに、研究グループは、磁場を加えていくと、スピンと磁場の相互作用によって自由度の数が4から2へと変化し、SU(2)近藤状態に移り変わっていくことを発見しました（ 図1(b) 、 図2(a) ）。この変化の様子が理論計算で再現されることを確認し （図2(a)） 、量子ゆらぎの指標である「ウィルソン比」を求めました。

研究グループは、電流だけではなく、電流に含まれる電流雑音を世界最高水準の測定技術で調べ、SU(4)近藤状態とSU(2)近藤状態のそれぞれについて、有効電荷 を高精度で検出しました。有効電荷とは、電子が近藤状態によって跳ね返される様子を表す量のことです。近藤状態の場合、二個の電子が関わる伝導過程があり、それによって有効電荷が通常の値よりも増大します。研究グループは、近藤状態の種類が変化するにつれて、有効電荷と量子ゆらぎが連続的に変化することを実証しました （図2(b)） 。このことから、量子多体現象において、有効電荷が量子ゆらぎの良い指標になることが確立しました。

図2　(a)人工原子の伝導度のゲート電圧依存性（実線）。ゲート電圧を変化させると人工原子中の電子数が一個ずつ変化します。本研究では、赤丸をつけた領域で行いました。磁場が小さいときにはSU(4)近藤状態が生じており、磁場印加とともにSU(2)近藤状態に変化していくことを見出しました。この結果は、理論（点線）と一致します。(b)実験で得られた有効電荷と量子ゆらぎの関係。

量子ゆらぎは、量子多体現象の発現に本質的な役割を果たすため、多くの研究が行われてきました。本研究は、電流雑音測定によって量子ゆらぎを検出する新手法を初めて実証したものです。本研究の発展によって、超伝導や超流動などの量子多体現象の理解が深まり、物質の新しい性質や機能を見いだせる可能性が期待されます。

本研究成果は、2017年5月8日（月）（米国時間）に米国科学誌「Physical Review Letters」に発表されました。

タイトル:“Quantum Fluctuations along Symmetry Crossover in Kondo-correlated Quantum Dot”
著者名:Meydi Ferrier, Tomonori Arakawa, Tokuro Hata, Ryo Fujiwara, Raphaëlle Delagrange, RichardDeblock, Yoshimichi Tertani, Rui Sakano, Akira Oguri, and Kensuke Kobayashi

本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金基盤研究(S)(JP26220711)・基盤研究(C)(JP26400319)・若手研究(B)(JP15K17680, JP16K17723)、文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「ゆらぎと構造」（JP25103003）および「トポ物質科学」（JP15H05854）、矢崎科学技術振興記念財団の補助を受けて行われました。また、東北大学電気通信研究所における共同プロジェクト研究の一環で行われました。