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Magnetic resonance study of lightly-doped semiconductors as a model for quantum computation at ultra-low temperatures and under high magnetic fields

Research Project

Project/Area Number 17K05514
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Condensed matter physics II
Research InstitutionUniversity of Fukui

Principal Investigator

FUJII Yutaka  福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 福田 昭  兵庫医科大学, 医学部, 教授 (70360633)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords電子スピン共鳴 / 核磁気共鳴 / 二重磁気共鳴 / 平面型NMRコイル / 抵抗検出型ESR / 希薄ドープ半導体 / シリコン / 量子計算機 / 量子計算モデル / 物性実験 / 磁気共鳴 / 磁性 / 量子コンピュータ
Outline of Final Research Achievements

This research is a fundamental study to realize a quantum computation model using electron and nuclear spins in lightly doped semiconductors. We aim to control and observe the spin states by electron spin resonance (ESR) and nuclear magnetic resonance (NMR) at ultra-low temperatures close to absolute zero and high magnetic fields of several tesla or higher, which are required for quantum calculations.
In this study, we have improved sensitivity of ESR and NMR measurements, and spin-state control manipulation of both electronic and nuclear spins has been made possible. In order to observe a smaller number of spin states, we have also developed an electrically-detected magnetic resonance system using optical excitation, which is unique to semiconductors.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子計算モデルで必要とされる超低温で使用可能なミリ波帯共振器にNMR用の平面型コイルを組み込むことにより、電子の大きな偏極を原子核に移すことによって量子ビットとなる原子核からのNMR信号を直接観測することに成功した。これによりスピンを支配する物理法則をより詳細に解明することが可能になった。また、ミラー型共振器を用いて従来型のESR測定に加えて抵抗検出型ESR測定も同時に可能になり、さらに少数のスピンの状態を観測するための基本装置ができた。

Report

(5 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • 2018 Research-status Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (89 results)

All 2021 2020 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (8 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (73 results) (of which Int'l Joint Research: 17 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results)

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    • Author(s)
      Ishikawa Yuya, Fujii Yutaka, Fukuda Akira, Koizumi Yuta, Omija Tsunehiro, Oida Tomoki, Yamamori Hidetomo, Matsubara Akira, Mitsudo Seitaro, Lee Soonchil, J¨arvinen Jarno, Vasiliev Sergey
    • Journal Title

      Applied Magnetic Resonance

      Volume: 52 Issue: 4 Pages: 305-315

    • DOI

      10.1007/s00723-021-01309-2

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    • Author(s)
      Fujii Y.、Ishikawa Y.、Ohya K.、Miura S.、Koizumi Y.、Fukuda A.、Omija T.、Mitsudo S.、Mizusaki T.、Matsubara A.、Yamamori H.、Komori T.、Morimoto K.、Kikuchi H.
    • Journal Title

      Applied Magnetic Resonance

      Volume: 49 Issue: 8 Pages: 783-801

    • DOI

      10.1007/s00723-018-1027-9

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    • Author(s)
      Ishikawa Y.、Ohya K.、Miura S.、Fujii Y.、Mitsudo S.、Mizusaki T.、Fukuda A.、Matsubara A.、Kikuchi H.、Asano T.、Yamamori H.、Lee S.、Vasiliev S.
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 969 Pages: 012111-012111

    • DOI

      10.1088/1742-6596/969/1/012111

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    • Author(s)
      Ishikawa Yuya、Ohya Kenta、Fujii Yutaka、Fukuda Akira、Miura Shunsuke、Mitsudo Seitaro、Yamamori Hidetomo、Kikuchi Hikomitsu
    • Journal Title

      Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves

      Volume: 39 Issue: 4 Pages: 387-398

    • DOI

      10.1007/s10762-018-0464-8

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      石川裕也,大矢健太,藤井裕,光藤誠太郎,小泉優太,三浦俊亮,水崎隆雄,菊池彦光,福田昭,松原明,山森英智,Soonchil Lee,Sergey Vasiliev
    • Journal Title

      日本赤外線学会誌

      Volume: 27 Pages: 65-73

    • NAID

      40021287477

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  • [Journal Article] Development of a Millimeter-Wave Electron-Spin-Resonance Measurement System for Ultralow Temperatures and Its Application to Measurements of Copper Pyrazine Dinitrate2017

    • Author(s)
      Ishikawa Y.、Ohya K.、Fujii Y.、Koizumi Y.、Miura S.、Mitsudo S.、Fukuda A.、Asano T.、Mizusaki T.、Matsubara A.、Kikuchi H.、Yamamori H.
    • Journal Title

      Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves

      Volume: 39 Issue: 3 Pages: 288-301

    • DOI

      10.1007/s10762-017-0460-4

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      Seitaro Mitsudo, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Tomoki Oida, Tomonori Sano, Yusuke Takahashi, Akira Fukuda, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev, Hikomitsu Kikuchi
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      The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
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      Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Tomoki Oida, Yusuke Takahashi, Akira Fukuda, Seitaro Mitsudo, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev, Soonchil Lee and Hikomitsu Kikuchi
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      Akira Fukuda, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Seitaro Mitsudo, Yoshiro Hirayama, Michael B. Santos
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      Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Yutaka Fujii, Takenori Sato, Kazuki Dono, Kenta Ohya, Akira Fukuda, Seitaro Mitsudo, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev
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      The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
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      Tomoki Oida, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Seitaro Mitsudo, Konami Izumi, Eiichi Kobayashi, Hikomitsu Kikuchi
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      藤井裕, 笈田智輝, 高橋佑輔, 石川裕也, 光藤誠太郎, 福田昭, 泉小波, 小林英一, 菊池彦光
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  • [Presentation] ミリ波二重磁気共鳴測定に向けた平面型NMRコイルの最適化II2020

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      笈田智輝,藤井裕,石川裕也,光藤誠太郎,泉小波,小林英一,菊池彦光
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    • Author(s)
      林哉汰, 富永隼人, 堂野壱暉, 大見謝恒宙, 石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 本田知己, 川崎孝俊, 山森英智
    • Organizer
      2018年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
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  • [Presentation] 154GHzジャイロトロン光源を用いた直行検波法パルスESRによるFID測定2018

    • Author(s)
      河野海志, 堂野壱暉, 石川裕也, 林哉汰, 藤井裕, 光藤誠太郎
    • Organizer
      2018年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
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      2018 Research-status Report
  • [Presentation] 平面コイルを用いた希薄リンドープシリコンの超低温ESR/NMR二重磁気共鳴測定2018

    • Author(s)
      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 松原明, 水崎隆雄, Soonchil Lee, 小林英一, 菊池彦光, 光藤誠太郎
    • Organizer
      2018年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
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  • [Presentation] 3He-4He希釈冷凍機を用いたミリ波帯超低温ESR/NMR測定装置の開発2018

    • Author(s)
      石川裕也, 藤井裕, 大矢健太, 三浦俊亮, 福田昭, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 水崎隆雄, 松原明, 菊池彦光, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev, 山森英智
    • Organizer
      第57回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] 平面型コイルを用いたSi:Pのミリ波帯ESR/NMR二重磁気共鳴測定2018

    • Author(s)
      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 松原明, 水崎隆雄, Soonchil Lee, 小林英一, 菊池彦光, 光藤誠太郎
    • Organizer
      第57回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] 擬一次元反強磁性量子スピン系Cu(C4H4N2)(NO3)2のミリ波ESR測定2018

    • Author(s)
      藤井裕, 石川裕也, 浅野貴行, 小泉優太, 三浦俊亮, 浅田瑞枝, 中村敏和, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 岩佐和晃
    • Organizer
      第57回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] 直交検波法を用いた154 GHzジャイロトロン光源によるFID測定2018

    • Author(s)
      河野海志, 堂野壱暉, 石川裕也, 林哉太, 藤井裕, 光藤誠太郎
    • Organizer
      第57回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] Development of Resonators for Millimeter-wave Band ESR/NMR Double Magnetic Resonance Measurements of Thin Samples2018

    • Author(s)
      Yuta Koizumi, Yuya Ishikawa, Kenta Ohya, Shunsuke Miura, Yutaka Fujii, Akira Fukuda, Akira Matsubara, Takao Mizusaki, Soonchil Lee, Eiichi Kobayashi, Hikomitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
    • Organizer
      The third joint conference of the Asia-Pacific EPR/ESR Society and The International EPR (ESR) Society (IES) Symposium (APES-IES2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Millimeter-Wave Fabry-Perot Resonator for Simultaneous Electron-Spin and Nuclear-Magnetic Resonance Measurement at Low Temperatures2018

    • Author(s)
      Y. Fujii, Y. Ishikawa, Y. Koizumi, T. Omija, K. Ohya, S. Miura, A. Fukuda, S. Mitsudo, H. Yamamori, H. Kikuchi
    • Organizer
      2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development Of Millimeter-Wave Electron-SpinResonance Measurement Apparatus For Ultralow Temperatures And Its Application To Measurement Of CuPzN2018

    • Author(s)
      Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Kenta Ohya, Yuta Koizumi, Shunsuke Miura, Seitaro Mitsudo, Akira Fukuda, Takayuki Asano, Takao Mizusaki, Akira Matsubara, Hikomitsu Kikuchi, Hidetomo Yamamori
    • Organizer
      2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2018)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ENDOR測定に向けた平面型コイルを用いたミリ波帯共振器の開発II2018

    • Author(s)
      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 松原明, 水崎隆雄, S. Lee, 小林英一, 菊池彦光, 光藤誠太郎
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
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  • [Presentation] S=1/2擬一次元反強磁性鎖Cu(C4H4N2)(NO3)2の高周波ESR2018

    • Author(s)
      石川裕也, 浅野貴行, 浅田瑞枝, 中村敏和, 三浦俊亮, 藤井裕, 光藤誠太郎, 菊池彦光
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
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  • [Presentation] 福井大学におけるミリ波帯磁気共鳴装置開発の取り組み2018

    • Author(s)
      石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 浅野貴行, 小泉優太, 河野海志, 大見謝恒宙, 堂野壱暉, 福田昭, 水崎隆雄, 松原明, 山森英智, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev,菊池彦光
    • Organizer
      第五回西日本強磁場科学研究会
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  • [Presentation] 二重磁気共鳴測定のための平面型コイルを用いたミリ波帯共振器の開発2018

    • Author(s)
      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 光藤誠太郎, 菊池彦光
    • Organizer
      第五回西日本強磁場科学研究会
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  • [Presentation] Solid State Physics and Material Development Applications By Using Gyrotoron Oscillators2018

    • Author(s)
      光藤誠太郎, 山本悠太, 縄手知樹, 西脇拓生, 河野海志, 堂野壱暉, 柊木健志, 石川裕也, 藤井裕
    • Organizer
      The 1st Siliwangi International Conference on Innovation in research(SICIR 2018)
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    • Invited
  • [Presentation] 希釈冷凍機温度におけるS=1/2反強磁性鎖Cu(C4H4N2)(NO3)2の高周波ESR2018

    • Author(s)
      石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 大見謝恒宙, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 松原明, 菊池彦光
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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  • [Presentation] ENDOR測定に向けた平面型コイルを用いたミリ波帯共振器の開発2018

    • Author(s)
      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 松原明, 水崎隆雄, S. Lee, 小林英一, 菊池彦光, 光藤誠太郎
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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  • [Presentation] ミリ波帯ESR/NMR二重磁気共鳴用円筒型共振器の開発2018

    • Author(s)
      藤井裕, 大矢健太, 小泉優太, 石川裕也, 三浦俊亮, 福田昭, 光藤誠太郎, 菊池彦光
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
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  • [Presentation] 福井大学におけるミリ波帯電子スピン共鳴装置の開発と測定2018

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      藤井裕, 光藤誠太郎, 石川裕也
    • Organizer
      第15回赤外放射応用関連学会年会
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  • [Presentation] 希釈冷凍機ミリ波帯ESR測定用Fabry-Perot型共振器の開発2017

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      大見謝恒宙, 石川裕也, 三浦俊亮, 大矢健太, 光藤誠太郎, 藤井裕
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      2017年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
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  • [Presentation] 平面型NMRコイルを用いた高周波ESR/NMR二重磁気共鳴用共振器の開発2017

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      小泉優太, 石川裕也, 大矢健太, 三浦俊亮, 藤井裕, 福田昭, 光藤誠太郎, 菊池彦光
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      第56回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] ピエゾアクチュエータを用いた極低温ミリ波ESR用周波数可変共振器の開発2017

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      三浦俊亮, 大矢健太, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 福田昭, 光藤誠太郎, 戸田充
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      第56回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] S=1/2擬一次元鎖反強磁性体Cu(C4H4N2)(NO3)2の超低温高周波ESR2017

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      石川裕也, 光藤誠太郎, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
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      第56回電子スピンサイエンス学会年会
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  • [Presentation] DNP-NMRに向けた高周波円筒型共振器の開発2017

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  • [Presentation] DNP-NMR 測定に向けた平面型コイルの開発2017

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      石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
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      石川裕也, 藤井裕, 三浦俊亮, 大矢健太, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 福田昭, 水崎隆雄, 菊池彦光, 松原明, 山森英智
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      Yuya Ishikawa, Kenta Ohya, Shunsuke Miura, Yutaka Fujii, Seitaro Mitsudo, Takao Mizusaki, Akira Fukuda, Akira Matsubara, Hikomitsu Kikuchi, Takayuki Asano, Hidetomo Yamamori, Soonciil Lee, Sergey Vasiliev
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      28th International Conference on Low Temperature Physics
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  • [Presentation] Development of mm-wave ESR/NMR Double Magnetic Resonance Measurement System at Very Low Temperatures2017

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      Y. Ishikawa, Y. Fujii, K. Ohya, S. Miura, Y. Koizumi, S. Mitsudo, A. Fukuda, T. Mizusaki, H. Kikuchi, T. Asano, A. Matsubara, H. Yamamori, S. Lee, S. Vasiliev
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      https://r-info.ad.u-fukui.ac.jp/Profiles/30/0002989/profile.html

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  • [Remarks] 福井大学研究者総覧

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      http://t-profile.ad.u-fukui.ac.jp/profile/ja.07084f479258e1d9520e17560c007669.html

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Published: 2017-04-28   Modified: 2022-02-22  

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