[論文レビュー] Electronically-Pristine and Locally-Tunable One-Dimensional Systems Created in Carbon Nanotubes Using Nano-Assembly

Jonah Waissman, M. Honig+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2013

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 29

ひとこと要約

本論文では、ナノアセンブリードゲート電極を用いて、スパナードカーボンナノチューブに電子的に完全で局所的に調整可能な一次元電子系を構築する手法を提示する。正確なゲート電圧制御により、電子は不純物の影響を最小限に抑えながらナノチューブに沿って局在化され、移動可能となり、ほぼ完全な鏡対称的輸送が実証され、1次元系における高分解能な量子工学的設計が可能となる。

ABSTRACT

Recent years have seen the development of several experimental systems capable of tuning local parameters of quantum Hamiltonians. Examples include ultracold atoms, trapped ions, superconducting circuits, and photonic crystals. Condensed matter analogues, where fermionic statistics and strong interactions occur naturally, remain challenging to implement due to the inevitable existence of electronic disorder in the solid state. Here, we demonstrate a new technology for deterministic creation of locally-tunable, ultra-low-disorder electron systems in carbon nanotubes suspended over circuits of unprecedented complexity. Using transport experiments we show that electrons can be localized at any position along the nanotube and smoothly shuttled from location to location. Nearly perfect mirror symmetry of transport characteristics about the center of the tube establishes the negligible effects of electronic disorder. Our system thus allows experiments in engineered one-dimensional potentials with spatial resolution limited only by the density of gates. We further demonstrate the ability to position multiple nanotubes at chosen separations, generalizing these devices to coupled one-dimensional systems. These new capabilities open the door to a broad spectrum of new experiments on electronics, mechanics, and spins in one dimension.

研究の動機と目的

• 固体状態における一次元電子系の電子的不純物を克服し、量子実験の制限を解消すること。
• カーボンナノチューブに局所的に調整可能な量子系を決定的かつ再現可能に作製するためのプロセスを開発すること。
• 電子の局在化と輸送を不純物効果を最小限に抑えて空間的に制御できること。
• 所定の間隔で配置された複数のナノチューブを用いて、結合した一次元系を構築できること。
• 設計された一次元ポテンシャルにおける強相関電子、スピン、量子輸送の研究を可能にする基盤を確立すること。

提案手法

• カーボンナノチューブを複雑なナノアセンブリードゲート回路の上にスパナードし、局所的電気的制御を可能にする。
• 高精度な空間分解能でゲートをパターニングし、ナノチューブに沿って調整可能な量子ドットやポテンシャル・ランドスケープを形成する。
• 輸送測定を用いて電子の局在化と移動度を評価し、対称性解析により不純物レベルを特定する。
• 輸送特性の鏡対称性解析を適用し、電子的不純物を定量的に評価し、ほぼ理想に近い対称性を示した。
• 複数のナノチューブを所定の間隔で配置し、結合した1次元系を形成し、鎖間相互作用を研究する。
• 逐次的なゲート電圧変調により、定義された位置間を滑らかに電子をシャトルすることができる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノアセンブリードゲートを用いて、カーボンナノチューブに超低不純物、局所的に調整可能な一次元電子系を実現できるか？
• RQ2 このプロセスを用いることで、固体状態の1次元系における電子的不純物はどの程度抑制できるか？
• RQ3 ナノチューブに沿って、高い空間分解能で電子を正確に局在化させ、輸送させることができるか？
• RQ4 輸送特性の対称性は、電子的環境の質をどのように反映するか？
• RQ5 所定の間隔で複数のナノチューブを配置することで、結合した一次元系を設計できるか？

主な発見

• ゲート電圧を用いることで、カーボンナノチューブ内の電子を、チューブの任意の位置に高精度で局在化できる。
• 輸送特性はナノチューブの中心に対してほぼ完全な鏡対称性を示し、電子的不純物がほとんどないことを示している。
• 局在化した位置間を滑らかに電子をシャトルでき、電子位置の動的制御が可能である。
• このシステムは、ゲート密度に制限されるが、高精度な1次元ポテンシャルの設計が可能である。
• 複数のナノチューブを所定の間隔に配置でき、結合した1次元電子系を形成できる。
• このプラットフォームにより、1次元系における量子輸送、多体効果、スピン物理学の新しい実験が可能になる。