シリコン量子ドット中のスピン状態に関する高速読み出し技術の開発と物理の解明

• Project/Area Number: 16F16806
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Research Field: Nanostructural physics
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TYLAITE EGLE 東京工業大学, 工学院, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2016-11-07 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2016: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
• Keywords: 量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ / 正孔

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、スピン状態を高速に読み出す技術を開発し、シリコン量子ドット中のスピンコヒーレンスの物理を解明することにある。本研究により、スピン軌道相互作用の大きさを定量的に評価し、さらに電場や磁場に対するスピン軌道相互作用の大きさやスピン緩和時間の依存性を得ることを目指している。
具体的には、MOS構造を利用したpチャネルの量子ドットを作製し、高速読み出しに使用する単正孔トランジスタを量子ドットの近傍に配置する。またスピンを高速に読み出すためのRF反射法を利用した測定系を構築し、既存のnチャネル量子ドットと対比させながら、新たに作製したpチャネル量子ドットにおけるスピンコヒーレンスに関わる物理を明らかにしていく。
本年度は、研究実施計画に沿い、作製した素子の評価を進めると同時に、測定系の構築を進め、RF反射法による測定を開始した。
２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定や、単正孔トランジスタによる電荷センシング測定に成功した。２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定では、スピンブロッケード現象を観測した。スピンブロッケード状態でわずかに流れるリーク電流の磁場依存性から、スピン軌道相互作用によってスピン緩和が起きていることを示唆する振る舞いが得られた。また、そのリーク電流の磁場依存性が、上部電極の電圧によって変調されることを観測した。電界によってスピン軌道相互作用を制御できている可能性がある。今後、スピン緩和時間やデコヒーレンス要因について調べることを目指し、RF反射法を用いた測定データの取得を行うことができた。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 日立ケンブリッジ研究所(英国)
• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
• [Int'l Joint Research] 日立ケンブリッジ研究所(英国)
• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
• [Journal Article] A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9% (2018)
  • Author(s): Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • Journal Title: Nature Nanotechnology Volume: 13 Issue: 2 Pages: 102-106
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0014-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication and characterization of physically defined quantum dots on a boron-doped silicon-on-insulator substrate (2018)
  • Author(s): Mizoguchi Seiya、Shimatani Naoki、Kobayashi Mizuki、Makino Takaomi、Yamaoka Yu、Kodera Tetsuo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 4S Pages: 04FK03-04FK03
  • DOI: 10.7567/jjap.57.04fk03
  • NAID: 210000148957
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge sensing and spin-related transport property of p-channel silicon quantum dots (2017)
  • Author(s): Yamaoka Yu、Iwasaki Kazuma、Oda Shunri、Kodera Tetsuo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 56 Issue: 4S Pages: 04CK07-04CK07
  • DOI: 10.7567/jjap.56.04ck07
  • NAID: 210000147634
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Physically-defined two silicon double quantum dots coupled electrostatically toward integrated quantum bits (2018)
  • Author(s): T. Kodera, Y. Lu S. Oda
  • Organizer: Cambridge Summit 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シリコン量子ドットにおける２スピン同時検出 (2018)
  • Author(s): 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 中島峻, 大塚朋廣, Sen Li, 小寺哲夫, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Measurement of spin funnels in a physically-defined pMOS silicon double quantum dot (2018)
  • Author(s): M. Marx, J. Yoneda, T. Otsuka, K. Takeda, Y. Yamaoka, T. Nakajima, S. Li, A. Noiri, T. Kodera and S. Tarucha
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 高濃度にボロンドーピングしたSOI基板を用いた量子ドットの作製と評価 (2018)
  • Author(s): 溝口 聖也、島谷 直樹、小林 瑞基、牧野 貴臣、山岡 裕、小寺 哲夫
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] p型シリコン量子ドットにおけるg因子のトップゲート電圧依存性 (2018)
  • Author(s): 島谷 直樹、山岡 裕、小寺 哲夫
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 物理的に形成したp型シリコン二重量子ドットの特性評価 (2018)
  • Author(s): 小林 瑞基、Tylaite Egle、島谷 直樹、山岡 裕、小寺 哲夫
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピン軌道相互作用量子ビットに向けたpチャネルシリコン量子ドットの正孔スピン輸送特性 (2017)
  • Author(s): 山岡 裕、岩崎 一真、小田 俊理、小寺 哲夫
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] シリコン量子ドットにおける正孔輸送特性の温度依存性 (2017)
  • Author(s): 島谷 直樹、山岡 裕、石原 良一、Aleksey Andreev、David Williams、小田 俊理、小寺 哲夫
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] Silicon Quantum Dot Devices for Spin Quantum Bits (2017)
  • Author(s): T. Kodera
  • Organizer: 2nd Global Congress & Expo on Materials Science and Nanoscience
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication and characterization of p-type heavily doped quantum dots (2017)
  • Author(s): S. Mizoguchi, Y. Yamaoka, T. Makino, N. Shimatani, and T. Kodera
  • Organizer: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An isotopically-enriched silicon spin qubit with >99.9% fidelity and charge-noise-limited coherence (2017)
  • Author(s): J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh and S. Tarucha
  • Organizer: 3rd Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physically-defined p-channel silicon double quantum dots with a charge sensor (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, E. Tylaite, N. Shimatani, Y. Yamaoka, and T. Kodera
  • Organizer: 3rd Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge-noise-limited coherence and three-nines fidelity of an enriched Si/SiGe spin qubit (2017)
  • Author(s): J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microwave induced frequency shift and its quadrature compensation for Si/SiGe spin qubit (2017)
  • Author(s): K. Takeda, J. Yoneda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, J.Kamioka, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hole transport properties in physically defined silicon quantum dots operating at 25 K (2017)
  • Author(s): N. Shimatani, Y. Yamaoka, R. Ishihara, A. Andreev, D. A. Williams, S. Oda, T. Kodera
  • Organizer: The 22nd International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport Through Si QDs in Coulomb Blockade Regime: Theory and Experiment (2017)
  • Author(s): A Andreev, T-Y Yang, M F Gonzalez-Zalba, Y Yamaoka, T Ferrus, S Oda, T Kodera and D A Williams
  • Organizer: International Workshop on Computational Nanotechnology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 同位体制御Si/SiGe単一電子スピンの1/f電荷揺らぎによる位相雑音 (2017)
  • Author(s): 米田淳, 武田健太, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, 本田拓夢, 小寺哲夫, 小田俊理, 星裕介, 宇佐美徳隆, 伊藤公平, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] シリコン量子コンピュータに向けた基盤技術開発 (2017)
  • Author(s): 小寺 哲夫
  • Organizer: 電子情報通信学会８月度シリコン材料・デバイス研究会
  • Invited
• [Remarks] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100574609
• [Remarks] 東京工業大学 小寺研究室
  • URL: http://www.quantum.ee.e.titech.ac.jp/