【研究領域課題番号】20H00237 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / シリコン / ゲルマニウム / 量子情報 / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

本研究の目的は、量子構造中の正孔スピンダイナミクスの物理を解明し、その制御原理を示すことである。特に、スピンと軌道の自由度、及び相互作用の制御がその要素となる。スピンと軌道の間に働く相互作用は、結晶や構造の局所的な性質に依存するため、ナノ寸法の量子構造で重要となる。本研究で新たに開発するゲルマニウム量子ドット系と我々がこれまで開発してきたシリコン量子ドット系とを比較することで、普遍的な物理を解き明かすことを目指す。このために、独自に有するダイナミクス測定法を用いて、量子構造中のスピン軌道相互作用を電気的に制御し定量評価する計画である。
本年度の研究実施計画は、下記の通りであり、順調に進展させることができた。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を行う。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、本年度は昨年度の結果に基づき、デバイス構造や界面の改良を行う。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。本年度は極低温下での磁場依存性評価を実施する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を昨年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
本年度は、上記について、順調に推進することができた。特に、4.2 KでのRF反射測定の実証、3量子ビット実験、高速ユニバーサル量子ゲートの実証など、当初の計画以上の成果を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究領域課題番号】18K18996 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子情報 / 量子デバイス / スピンデバイス / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

将来的にダイヤモンド量子構造中の伝導キャリアのスピン輸送を実現し、スピンダイナミクスに関わる根本の物理を解明するため、その基盤技術を開発した。素子については、構造検討、素子設計を行い、物理の解明に向けては、国内外の研究者らとの議論や第一原理計算も含めた理論的アプローチを進めることで、電子状態に関する理解を深めた。測定系の構築については、高周波系を導入し、順調に進めることができ、シリコン系素子を用いてこの測定系の構築が正しく行えたことを確認した。

【研究の社会的意義】

本研究は、量子構造におけるスピンダイナミクスに関わる根本の物理解明に向けた、萌芽的な研究に位置づけられる。高周波系を導入した測定系の構築について、シリコン系素子を用いて正しく行えたことを確認しただけでなく、量子構造のポテンシャルをゲート電極によって調整し、ソースドレイン間を流れる電流を測定することで、スピンブロッケードを観測し、スピンダイナミクスに関わる根本の物理を解明するための要素技術を開発できた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2021-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】22740196 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / シリセン / トポロジカル絶縁体 / スキルミオン / 量子スピンホール効果 / チャーン数 / メロン / 量子異常ホール効果 / トポロジー / 電子相関 / グラフェン・ナノリボン / 場の理論 / トポロジカル相転移 / スカーミオン / バイメロン / ナノグラフェン / グラフェン・ナノディスク / ディラック電子 / 量子ドット / スピン軌道相互作用 / 渦度

【研究成果の概要】

グラフェン及び関連物質であるシリセンの電子物性とトポロジカルな性質について研究を行った。特に様々なトポロジカル絶縁体とトポロジカル相転移について研究を行った。三角グラフェンの波動関数を厳密に求めた。グラフェン・ナノディスク・アレイが平坦バンドを持つ事を示した。シリセンの構造が座屈している事により、垂直電場でバンドギャップを制御出来る事を示した。シリセンに強磁性体を貼り付ける事で量子異常ホール効果を示す事を予言した。また、光照射でトポロジカル相転移を起こし、臨界点で単一ディラック・コーン状態が出現する事を予言した。また、磁性体中のトポロジカル構造であるスキルミオンについても研究を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】22540333 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系 / 量子ドット / スピンエレクトロニクス / スピン軌道相互作用 / 近藤効果 / スピンホール効果 / ナノワイヤ / ジョセフソン接合 / クーロンブロッケード

【研究成果の概要】

半導体量子ドットに３本以上のリードを接続した多端子系の示す物理現象を理論的に研究した。(1) スピン軌道相互作用がはたらく量子ドット多端子系では、スピンホール効果によってスピン分極電流が得られること、その分極率はゲート電圧によって電気的に制御可能であることを示した。(2) 微小なリングに埋め込まれた量子ドットの近藤効果を解析し、近藤効果のリングサイズ依存性、輸送特性における非弾性過程、多端子系で検出される電子の位相情報を明らかにした。(3) InAs量子ドットのg因子の異方性、およびInSbナノワイヤで観測される異常ジョセフソン効果をスピン軌道相互作用を取り入れることで解明した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21340078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン軌道相互作用 / スピン流 / アンドレーフ反射 / スピンホール効果 / 量子ドット / ベリー位相 / スピン蓄積 / スピン注入 / 超伝導近接効果

【研究成果の概要】

スピン軌道相互作用により量子ポイントコンタクトが非磁性半導体中でスピンフィルターとして動作することを検証した.常伝導体を超伝導体で挟んだ構造に生じるアンドレーフ束縛状態において,横電流によって生じたスピンホール効果によって異常伝導度が大きく抑えられる効果を見出した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20241033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントランジスタ / スピン注入 / スピントロニクス / 量子計算 / 量子ドット / 量子もつれ / スピン / インジウム砒素 / スピン軌道相互作用 / スピンブロッケード / 量子計算機 / 量子ビット / InAs

【研究成果の概要】

インジウム砒素系化合物半導体と鉄電極界面における界面反応により生成される化合物がスピン注入効率をブロックしていることを界面の相図を調べることにより探索した。鉄系のスピン源を用いて観測されたスピントランジスタの電流振動が理論計算とよく一致していることを確認した。金コロイドを用いるインジウム砒素ナノワイヤの結晶成長の最適化を応用してナノワイヤスピントランジスタを作製し、スピン軌道相互作用に起因すると思われる電流変調を観測した。量子ドットを集積したスピントランジスタ構造の量子計算機デバイスにおいてスピン注入効率が最大40%(実績37%)のFe/InAs強磁性/半導体ハイブリッド系では、スピンチャンネル/量子ドット系による量子もつれの実証はむずかしいこと、60%以上のスピン注入効率で有意差が見られ、80%程度のスピン偏極率があれば、明瞭に量子もつれが観測できることを理論的に予測できた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】19540345 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系・局在 / 量子ドット / 近藤効果 / スピン軌道相互作用 / スポン軌道相互作用 / フピンホール効果 / アハロノフ・ボーム効果 / スピンバルブ / トンネル磁気抵抗 / スピンエレクトロニクス / メゾスコピック系 / 物性理論 / 量子情報処理 / 量子輸送現像 / 量子輸送現象

【研究成果の概要】

半導体の微細加工で作製されるナノサイズの箱、量子ドット、はしばしば人工原子と呼ばれる。人工原子のスピンが1/2のとき、金属中の磁性不純物と同様の近藤効果が観測される。人工原子を微小なリングに埋め込んだ系、量子ドットを2つ並べた人工分子、強いスピン軌道相互作用がはたらく人工原子、等での近藤効果を理論的に研究し、この多体問題の新しい物理学を開拓した。人工原子などの半導体ナノ構造におけるスピンの制御は量子コンピューターやスピントロニクスへの応用につながる。スピン注入、およびトンネル磁気抵抗の基礎研究を進展させた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】17340115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性基礎論 / ナノ材料 / 量子ドット / 計算物理 / 共鳴状態 / ファノ共鳴ピーク / 干渉 / 多体束縛状態 / アンダーソン模型 / エンタングルメント / メゾスコピック糸 / 粒子数保存則 / 準安定状態 / 量子細線 / ファノピーク / 統計力学 / メゾスコピック系 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 / 非エルミート量子力学 / 開放量子系 / 共鳴 / 複素固有値 / 量子ネルンスト効果 / ファノ共鳴 / フラクタル

【研究成果の概要】

メゾスコピック系の電気伝導において、メゾスコピック系内の電子間相互作用や、メゾスコピック系に接続されている導線がどのような効果を及ぼすかを議論した。前者が多体の束縛状態を、後者が共鳴状態を生み出すことを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】9,180千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 780千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自然形成InAs量子ドット / 単電子効果 / スピン / スピン軌道相互作用 / 狭ギャップ半導体 / ラシュバ効果 / 分子線エピタキシー / スピン注入 / 単電子トランジスタ / 自然形成量子ドット / インジウム砒素 / 強磁性体 / 自己形成InAs量子ドット / 単電子トランジスター / 量子ドット / 擬一次元トランジスタ構造 / 帯電効果

【研究成果の概要】

(1)単電子トランジスタ構造中に数個の自然形成量子ドットを集積したトランジスタは、異なるドットの帯電効果が重なった電圧電流特性を示し、個々の量子ドットからの影響をはっきりと分離をすることは容易ではない。それに比べて多数の自然形成量子ドットを集積した単電子トランジスタ構造の方が個々の帯電効果が平均化されて単一ドットが集積されたトランジスタ動作をすることがわかった。
(2)量子細線トランジスタのチャンネル上の障壁中に単一量子ドットを埋めむことを試みた。(311)A基板を加工して(100)ファセット上に量子細線トランジスタが形成でき、細線上の障壁に選択的にInAs量子ドットが形成できることが判明した。
(3)(1)で得られた単電子特性を示す電流ピークはそれぞれ電子スピンに関して無選択な環境での量子ドットの帯電状態を表している。電子スピンの選択の自由度が得られると異なる特性があらわれることが予想され、このことを利用すると帯電中の電子のスピン状態が判別できるトランジスタ動作実現の可能性がある。これを実現するため、強磁性体電極から狭ギャップ半導体であるインジウム砒素にスピン注入することを試みた。この結果、約40%のスピン偏極率を有する鉄電極から約18%のスピン注入が可能であることがわかった。このことから、スピン制御が可能な単電子トランジスタを実現するための基盤技術を確立することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】06740302 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系 / 量子ドット / 超微粒子 / 電子相関 / ホッピング伝導 / 光吸収 / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

半導体の微細加工技術で作られる0次元系(量子ドット)や超微粒子での電子相関効果の解明のため、今年度は次の3つの側面から理論研究を行った。
まず量子ドットの集合系での電気伝導特性において、電子間相互作用と干渉効果の両者が競合する効果を究明した。特にスピン軌道相互作用の働く場合、及びドット中の複数レベルの影響が重要な場合に対して計算を進め、電気伝導の磁場依存性を導出した。計算結果は銅微粒子フィルムでのホッピング伝導の実験結果と良く一致することが分かり、また量子ドット集合系でその効果が観測される条件を議論した。その成果をまとめた論文はPhysical Review B誌に掲載予定である。
第2に、超微粒子での電子状態とその集団励起への多体効果を調べた。球や球殻構造を持つ導体の光吸収スペクトルへの量子効果を第一原理から計算する方法を開発し、乱雑位相近似の範囲でスペクトルの特性を系統的に調べた。特にピークの幅に量子効果が顕著に現れることを示し、実験結果と比較を行った。その結果は微粒子の国際会議(神戸、9月)で発表し、また論文にまとめた(Physical Review B誌に発表予定)。現在その計算を拡張し、微粒子の環境が光吸収に与える効果を研究中である(H7,3月の日本物理学会で発表予定)。
第3に、単一の量子ドットに閉じこめられた少数電子系における多体効果を幅広く調べた。手法としては大規模な数値計算と摂動計算の2つを併用した。特に少数電子系で引力が働く場合に、電子数の偶奇に対する非対称性が現れることを初めて示した。それは有限系での超伝導状態の研究にとって重要なだけでなく、超伝導物質で作製された量子ドットの伝導特性で観測される可能性があることを指摘した。現在その研究の論文を投稿中である。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1994

【配分額】900千円 (直接経費: 900千円)