Research Abstract
自由電子ランダウ状態のダイナミクスの画像化
Imaging the dynamics of free-electron Landau states
2014年8月8日 Nature Communications 5 : 4586 doi: 10.1038/ncomms5586
磁場中の電子のランダウ準位とランダウ状態は、凝縮物質物理における量子ホール効果とそれに関係する効果の基礎を成す。しかし、ランダウ波動関数の実空間特性はまだよく分かっておらず、その観測は実現が困難である。今回我々は、自由電子のランダウ状態と内部回転運動の実空間観測について報告する。ランダウ状態のくびれと一致するよう半径を選んだナノメートルサイズの電子渦ビームを用いて、量子数の異なるさまざまな状態が準一様磁場内で生成された。我々は、伝播方向に沿ってビームを走査し、角周波数が約100 GHzのランダウ波動関数の回転運動を再構成した。その結果、方位量子数の異なるランダウモードが、ゼロ周波数、ラーモア周波数、サイクロトロン周波数で表現される3つの回転運動で特徴付けられることが観測された。これは、古典的な電子の一様なサイクロトロン運動とは著しく異なっており、最近の理論予測と完全に一致する。
P. Schattschneider1,2,3, Th. Schachinger1, M. Stöger-Pollach3, S. Löffler3, A. Steiger-Thirsfeld3, K. Y. Bliokh4,5 & Franco Nori5,6
- ウィーン工科大学 固体物理研究所 （オーストリア）
- エコール・サントラル・パリ MSSMat研究所 （フランス）
- ウィーン工科大学 電子顕微鏡ユニバーシティサービスセンター （オーストリア）
- 理化学研究所 理論科学連携研究推進グループ
- 理化学研究所 創発物性科学研究センター
- ミシガン大学 物理学部 （アメリカ）
Landau levels and states of electrons in a magnetic field are fundamental quantum entities underlying the quantum Hall and related effects in condensed matter physics. However, the real-space properties and observation of Landau wave functions remain elusive. Here we report the real-space observation of Landau states and the internal rotational dynamics of free electrons. States with different quantum numbers are produced using nanometre-sized electron vortex beams, with a radius chosen to match the waist of the Landau states, in a quasi-uniform magnetic field. Scanning the beams along the propagation direction, we reconstruct the rotational dynamics of the Landau wave functions with angular frequency ~100 GHz. We observe that Landau modes with different azimuthal quantum numbers belong to three classes, which are characterized by rotations with zero, Larmor and cyclotron frequencies, respectively. This is in sharp contrast to the uniform cyclotron rotation of classical electrons, and in perfect agreement with recent theoretical predictions.
