小林研介 京都大学化学研究所准教授 業績の要旨等
業績の題目
半導体素子における量子効果および多体効果による電子伝導に関する実験的研究
Experimental Study on the Electron Transport based on Quantum Effect and Many-Body Effect in Semiconductor Devices
業績の要旨
近年、半導体素子の高集積化に伴い微細加工技術が大きく発展し、それを用いて量子力学的効果が発現する人工量子系の作成が可能になってきました。このような人工量子系は、系を自在に設計できることから、基礎物理の実験の場として、あるいはスピントロニクスや量子情報技術等に代表される新しい技術の基礎を切り拓く目的で、盛んに研究されています。
小林研介氏は、人工量子系を主な舞台として、電子伝導過程の研究に新局面を切り拓きました。半導体を微細加工して作成したリング状の電子干渉計と人工原子である量子ドットを組み合わせた量子複合系を用いて、ファノ効果と呼ばれるユニークな共鳴干渉現象が生じることを世界に先駆けて実証しました。ファノ効果は離散状態と連続状態が共存する時に生じる普遍的な現象で、原子系の分光学では古くから知られた重要な現象の一つですが、それを電子伝導系において極めて制御性の高い状態で観測することに成功したものです。さらにファノ効果と近藤効果が同時に発現したファノ－近藤状態という新しい多体量子状態をも実現しています。これらファノ効果に関する同氏の4篇の代表的論文の引用件数は延べ600件近くにのぼり、同氏の研究をきっかけに世界的な研究が行われたことを物語っています。その結果、様々な系でファノ効果に基づく伝導現象が見出され、典型的な量子的伝導様態の一つとして確立しました。
また、同氏はリング状の微小電子干渉計に、独自に開発した世界最高レベルの感度を持つ電流揺らぎ測定装置を適用して、電流に含まれる揺らぎ成分の振る舞いを詳細に測定しました。その結果、非平衡統計力学における最も重要な定理の一つである「揺らぎの定理」の関係式が、非平衡量子多体系においても成立することを明らかにしました。この研究は、量子力学と統計力学の両方に関わる根源的な問題に実験的にアプローチしていく端緒を与え、非平衡統計物理学の新しい展開を生み出すものと期待されます。
さらに、同氏はハードディスクをはじめとする磁気デバイスに広く応用されている磁気抵抗効果に関して、シリコンにおいて非常に巨大な磁気抵抗効果が発現することを発見しました。シリコンは現代の半導体産業の中核を担う物質であり、過去50年以上にわたって最も良く研究されてきた物質の一つですが、このような巨大磁気抵抗効果は同氏が初めて見出したものです。さらに、その発現のメカニズムが空間電荷効果という非平衡多体効果に基づくことを明らかにしました。特に室温においてもこの効果が顕著に生じることは、半導体素子の主役であるシリコンに注目すべき新機能が付与されたものといえ、今後の発展が大いに期待されます。
このように小林研介氏は、量子効果と多体効果が電子の伝導に果たす役割に注目することにより、電子伝導に関して普遍性の高い独創的な成果を挙げてきました。これらの成果は今後も幅広いインパクトをもたらす波及効果の大きいものであり、湯川・朝永奨励賞にふさわしいと考えられます。