オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスによる量子輸送測定入門

By Ben Yager and Abi Graham

当社のTeslatronPTシステムは、高磁場と極低温環境を備え、量子輸送測定（図1参照）、低次元物理学、スピントロニクスなど、様々なアプリケーションのための基幹システムを提供します。このブログでは、輸送測定とは何か、また測定を成功させるために必要な条件を紹介します。

電気伝導測定は、トポロジカル系、量子系、新規超電導、2次元材料、デザイナー材料などの分野に焦点を当てた現代の凝縮系研究に不可欠な手法です。抵抗率、キャリア移動度、ホール電圧といった系の電気的特性が、温度や磁場、電場といった様々な外部パラメータの影響を受けることを理解し、モデル化するためには、幅広い測定技術が必要となります。

最も広い意味での輸送測定は、ある媒質中を何かがどのように移動・伝播するか、また、どのようなパラメータがその運動に影響を与えるかを特徴づけるものです。凝縮系では、この「何か」は通常、電気的輸送では電子であり、熱的輸送ではエネルギーです。

測定の目的は、基礎的な理解を深め、エキゾチックな挙動を発見し、未来の材料を設計するために、輸送にどのようなメカニズムが影響するかを理解することです。

電気伝導測定とTeslatronPTの注目すべき用途の1つは、グラフェンの調査です。Sir Konstantin Novoselov教授とAndre Geim 教授は、2004年にグラフェンを発見し、2010年にノーベル賞を受賞しました。当社のTeslatronPTシステムは、研究者がグラフェンの量子ホール効果を理解し、そのユニークな構造と特性に光を当てるのに役立ちました。グラフェンには、高い電気・熱伝導性、高い電子移動度、調整可能性、透明性、大きな破断強度、化学的安定性など、多くの有望な特徴があります。グラフェンが示す固有の性質と特性は、次世代電子デバイスの進歩に非常に適しています。

オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスのTeslatronPTは、非常に多用途で使いやすい測定の基幹システムです。直径50mmの大きな実験スペース、1.5Kから300Kの温度範囲、最大-14Tから14Tの磁場範囲が得られます。温度範囲は、HelioxVTとKelvinoxJTプローブの追加によりｍK領域まで拡張でき、磁場は6/1/1Tベクターマグネットに拡張可能です。磁性系の低温領域は、一般に磁気エネルギーが熱エネルギーよりも著しく大きい場合です。このような状況では、磁気的相互作用が熱揺らぎよりも支配的であるため、低温と高磁場の両方で興味深い現象が現れる可能性があります。

測定を成功させるには、TeslatronPTが提供できる安定した温度制御と磁場制御が必要であり、さらに、試料の熱処理、配線の選択、低ノイズ測定を達成するための適切な接地について慎重に検討する必要があります。

レイクショア社のM81 Synchronous Source Measure Systemは、配線を変更することなく、1台の装置でDC、AC、ロックイン測定を切り替えることができます。さらに、レイクショアのM91 FastHallコントローラーは、フィールド反転を必要とせずにホール測定を行うことができます。

あらゆるデジタル・ロジックに不可欠な半導体中の電界と電子の相互作用から、発電や電気モーターの大部分に利用されている磁界と電子の相互作用まで、現代世界を支えているのは電気輸送の理解です。研究者が新しい材料を調査、研究、さらには発見することを可能にする技術に携わることは、本当にエキサイティングなことです。これらの材料は、いつか次世代の新設計材料や、半導体の未来や超電導体の構成要素になるかもしれません。

Figure 1: TeslatronPTを用いたNbTi超伝導体の抵抗率の温度依存性測定

Ben Yager
Senior Measurement Scientist

Abi Graham
Measurement Scientist