超高速ナノ分光およびイメージング技術の最新進展：プローブ顕微鏡に基づく応用 研究背景 近年、光学顕微技術の急速な発展に伴い、科学者たちはナノスケールでの物理現象に対する理解を大幅に深めました。しかし、従来の遠視野光学顕微技術は光学回折限界に制約され、サブ波長レベルの空間分解能を達成することが困難です。一方で、量子材料、二次元材料（2D Materials）、有機分子材料などの新素材の研究需要が増加しており、これらの材料における光-物質相互作用はしばしば非常に短い時間スケール（フェムト秒からナノ秒）と非常に小さい空間スケール（ナノメートルからオングストローム）で発生します。そのため、高空間分解能と高時間分解能を同時に提供できる顕微技術の開発が科学研究において重要となっています。 従来の光学顕微...
高性能広帯域光学変調器の研究：グラフェンと六方晶窒化ホウ素積層構造に基づく革新的設計 研究背景と問題提起 光通信技術の急速な発展に伴い、電気光学変調器は現代の通信システムにおいて重要な役割を果たしています。しかし、変調深度を向上させながら挿入損失を低減する方法は、この分野における重大な課題であり続けています。近年、グラフェン、六方晶窒化ホウ素（h-BN）、二硫化モリブデン（MoS₂）などの二次元材料は、その独特な光電特性から大きな注目を集めています。特に、グラフェンは高キャリア移動度、調整可能な光学特性、および表面プラズモンポラリトン（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）との強い相互作用により、高性能光学変調器を開発するための理想的な材料と考えられています。 グ...
研究背景と問題の導入 非線形波動システムは、物理学、光学、および凝縮系物理などの分野における中心的な研究対象の一つです。しかし、現実の非線形波動システムはしばしばランダムなノイズの影響を受け、その影響により波動の振る舞いが大きく変化する可能性があります。例えば、ソリトン（Soliton）の伝播、波動乱流（Wave Turbulence）の形成、そしてパターン生成（Pattern Formation）などが挙げられます。これらの複雑な現象をより正確に記述するために、科学者たちは確率非線形シュレディンガー方程式（Stochastic Nonlinear Schrödinger Equation, SNLSE）を提案し、さらにそれを発展させて確率共鳴非線形シュレディンガー方程式（Stochasti...
クラシカルおよび量子スピン液体における大規模密度変動の異常抑制 学術背景 クラシカルスピン液体（Classical Spin Liquids, CSLs）と量子スピン液体（Quantum Spin Liquids, QSLs）は、凝縮系物理学において非常に魅力的な研究分野です。CSLs は長距離磁気秩序を持たない物質状態で、基底状態に大量の簡併性があります。量子揺らぎを導入すると、これらの古典的基底状態間の力学的相互作用が QSLs を生み出します。QSLs は高度に絡み合った量子相であり、分数的な励起やトポロジカル秩序などの奇妙な特性を持っています。 しかし、理論的な研究では QSLs の理解が進んでいるものの、実験的に Z2 QSLs を直接観測することは依然として困難です。また、CSL...
グラフェン/六方晶窒化ホウ素モアレ超格子における拡張量子異常ホール状態 学術的背景 近年、トポロジカルフラットバンド中の電子の振る舞いは、凝縮系物理学分野で広く注目を集めています。トポロジカルフラットバンド中の電子は、強相関効果の下で新しいトポロジカル状態を形成し、これらはゼロ磁場下で量子異常ホール効果（Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE）を示します。特に、多層グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）が形成するモアレ超格子系は、これらのトポロジカル状態を研究するための理想的なプラットフォームを提供します。これまでの研究では、五層菱面体グラフェン（rhombohedral graphene, RG）とhBNのモアレ超格子が約400ミリケルビンの温度で分数量子異...
背景紹介 近年、ねじれ二層および三層グラフェンにおける超伝導の発見が広く注目を集めています。これらのシステムの鍵となる特徴は、層間結合とモアレ超格子の相互作用にあり、低エネルギーの平坦バンドが出現し、これが強相関を示します。同様の平坦バンドは、他の二次元材料（例えば遷移金属ダイカルコゲナイド、TMDs）の格子不整合やねじれヘテロ構造におけるモアレパターンによっても誘導される可能性があります。モアレTMDsではさまざまな相関現象が観察されていますが、超伝導の確かな実験的証拠は依然として不足していました。本論文では、5.0°ねじれ二層WSe₂において超伝導が観察され、最高臨界温度が426 mKに達することが報告されています。この発見は、モアレ平坦バンド超伝導がグラフェン構造に限定されないことを示...
学術的背景と問題提起 計量学の分野では、量子ホール効果（Quantum Hall Effect, QHE）とジョセフソン効果（Josephson Effect）は、それぞれ電気抵抗（オーム）と電圧（ボルト）の量子標準を提供しています。しかし、従来の量子ホール抵抗標準（Quantum Hall Resistance Standards, QHRs）は、超電導磁石などで10テスラ以上の強い磁場を生成する必要があるため、実用的な応用上の制約があります。特にジョセフソン電圧標準（Josephson Voltage Standards, JVS）との統合時には、磁場中ではJVSが正常に動作しないため、大きな課題となっています。このため、外部磁場を必要とせずに、高精度な電気抵抗量子標準を実現することが重...
高性能p型フィールド効果トランジスタ：2次元材料の置換ドーピングと厚さ制御 学術的背景 半導体技術の進展に伴い、シリコン基フィールド効果トランジスタ（FET）はパフォーマンスの限界に近づいています。このボトルネックを克服するため、研究者たちはシリコンの代替として2次元（2D）材料の可能性を模索しています。モリブデン二硫化物（MoS₂）、モリブデン二セレン化物（MoSe₂）、およびタングステン二セレン化物（WSe₂）といった2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）は、原子レベルで平滑で欠陥のない表面や優れた電子特性により注目されています。しかしながら、n型2D FETでは著しい進歩が見られる一方、p型2D FETの開発は遅れています。これは主に、金属-2D材料の界面におけるフェルミ準位ピン止め効...
シームレスなグラフェンスピンバルブの構築：Van der Waals磁性体Cr₂Ge₂Te₆の近接効果に基づいて 研究の背景と意義 グラフェンは、高い電子移動度と長いスピン拡散長を持つ2次元材料として、スピントロニクス分野で大きな可能性を秘めています。しかし、グラフェン自身のスピン軌道相互作用（Spin-Orbit Coupling, SOC）や磁気交換相互作用（Magnetic Exchange Coupling, MEC）は弱く、それがスピン情報の生成や制御における機能を制約しています。一方で、近接効果（Proximity Effects）を活用し、近接する材料との短距離相互作用を介して新たな物理特性を導入することで、グラフェンのスピントロニクス応用性能を向上させることが可能です。 これ...
高遷移率n型モリブデン⼆硫化物トランジスターにおける分数量子ホール相研究 背景および研究動機 低温環境において、半導体遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）に基づくトランジスターは、理論的に高いキャリア移動度、強いスピン軌道相互作用、そして量子基底状態における内在的な強電子相互作用を提供することができます。これにより、多体電子相互作用や量子状態の探索に理想的なプラットフォームとなります。しかし、極低温でTMD材料に対して信頼性の高いオーミック接触（Ohmic Contact）を実現する難しさから、フェルミ準位がバンド端近くにある場合の電子相関特性、特に部分充填されたランドー準位（Landau Levels, LLs）での分数...