磁性体スピントロニクスに基づく色中心エンジニアリング

• Project/Area Number: 20J14418
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 篠崎 基矢 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 磁気トンネル接合 / スピントロニクス / 非線形応答 / 半導体量子ドット / 高周波反射測定法 / ベイズの定理 / パラメトリック増幅器

Outline of Research at the Start

様々な原理で動作する量子ビットに共通して言えることは、量子状態の検出手法・感度の向上が必須という点である。
例えばNVセンターでは光による検出を行っているが応用を考える上では電気的な検出手法が好ましい。熱や光、振動を電気信号に変換することはスピントロニクスの最も得意とする分野の一つである。
また、半導体量子ビットでは検出感度向上のために既製品の低ノイズアンプやジョセフソン接合を用いたパラメトリックアンプ等が用いられている。一方、近年スピントロニクスデバイスによる増幅素子も実証されている。
これらに対しスピントロニクスデバイスや原理に基づく新たな解の選択肢を提供する。

Outline of Annual Research Achievements

磁気トンネル接合(MTJ)の非線形輸送特性について詳細に調べた。非線形性の原因の一つとして知られる非弾性トンネル効果については、磁性体由来の寄与も数多く報告されており、分光学的観点から精力的に研究が行われてきた。一方で非線形なIV特性を低バイアス領域付近で級数展開的に解析しその係数である非線形コンダクタンスに特徴づけることで定量的評価を行った実験的報告はごく僅かである。
そこで直径15~100nmの垂直容易軸を有するMTJにおいて非線形コンダクタンスの観点から非線形輸送特性の評価を行った。2次の非線形コンダクタンスG2については、素子直径Dの減少に従い増大する傾向が観測された。この傾向は、MTJ素子のエッジ部におけるバンド構造の非対称性を考慮することで説明することができた。こうしたエッジ部における非対称性の起源としては微細加工プロセスの影響が考えられ、別途測定した強磁性共鳴の結果からも同じ結論が得られた。
また、3次の非線形コンダクタンスG3については、G3とG1の間に非自明な負の相関関係が観測され、これはスピンフリップを考慮したトンネルコンダクタンスモデルを仮定することで定性的に説明することができた。こうしたスピンフリップの要因としてはマグノンの生成・消滅が考えられ、この描像は従来研究されてきた分光学的観点からの考察と一致する。またG3とG2の間には正の相関が見られ、マグノンの影響に加えて微細加工プロセスの影響がG3にも寄与している可能性が示唆された。
以上、外因的寄与として微細加工プロセス、内因的寄与としてマグノン生成・消滅がTMR比低下の要因となる非線形輸送特性を生じさせることを明らかにした。また、こうした非線形コンダクタンスの振る舞いを明らかにしたことで、スピン依存伝導が顕著な系における非平衡物理研究への展開も期待される。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロレーヌ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)
• [Journal Article] Gate voltage dependence of noise distribution in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots (2021)
  • Author(s): Shinozaki Motoya、Muto Yui、Kitada Takahito、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Noiri Akito、Ito Takumi、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo、Otsuka Tomohiro
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 3 Pages: 035002-035002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abe41f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing edge condition of nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions by spin-wave resonance (2020)
  • Author(s): Shinozaki M.、Dohi T.、Igarashi J.、Llandro J.、Fukami S.、Sato H.、Ohno H.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Issue: 20 Pages: 202404-202404
  • DOI: 10.1063/5.0020591
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 機械学習と前処理によるノイズ耐性のある量子ドット電荷状態推定 (2022)
  • Author(s): 武藤由依, 中曽拓, 相澤拓海, 篠崎基矢, 北田孝仁, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 兼村厚範, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] GaN FET の電流コラプス下における量子ドット形成 (2022)
  • Author(s): 阿部峰也, 篠崎基矢, 相澤拓海, 熊坂武志, 伊藤範和, 田中岳利, 中原健, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] 高周波反射測定による量子ドットQCA状態電荷遷移の実時間観測 (2022)
  • Author(s): 相澤拓海, 篠崎基矢, 藤原義弘, 熊坂武志, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] 微細CoFeB/MgO磁気トンネル接合における非線形電子輸送特性 (2022)
  • Author(s): 篠崎基矢, 五十嵐純太, 岩切秀一, 北田孝仁, 早川佳祐, 陣内佛霖, 大塚朋廣, 深見俊輔, 小林研介, 大野英男
  • Organizer: 日本物理学会2022年春季大会
• [Presentation] Noise analysis of radio-frequency reflectometry for single spin and charge detection in quantum dots (2021)
  • Author(s): Tomohiro Otsuka, Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • Organizer: 1st Online RIEC International Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Error rate analysis of charge sensing in quantum dots by Bayesian approach (2021)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and International Joint Graduate Program in Materials Science
• [Presentation] GaN FETにおけるマイクロ波依存伝導の観測 (2021)
  • Author(s): 阿部峰也, 篠崎基矢, 相澤拓海, 熊坂武志, 伊藤範和, 田中岳利, 中原健, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] CVDグラフェンナノリボンにおける単一量子ドット形成 (2021)
  • Author(s): 北田孝仁, 阿部峰也, 瀬尾瑞樹, 佐藤尚郁, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 武藤由依, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2021年春季大会
• [Presentation] Quantum Dots in plasma CVD Graphene Nanoribbons (2021)
  • Author(s): Takahito Kitada, Mizuki Seo, Takaya Abe, Motoya Shinozaki, Naohumi Sato, Takumi Aizawa, Yui Muto, Toshiro Kaneko, Toshiaki Kato and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach (2021)
  • Author(s): Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Readout noise in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots (2021)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CVDグラフェンナノリボンにおける量子ドット形成 (2020)
  • Author(s): 北田孝仁, 阿部峰也, 篠﨑基矢, 瀬尾瑞樹, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ベイズ手法による量子ドット電荷状態推定のノイズ依存性 (2020)
  • Author(s): 武藤由依, 篠﨑基矢, 北田孝仁, 永安修也, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Sen Li, 伊藤匠, 樽茶清悟, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 量子ドット高周波反射測定のノイズ解析 (2020)
  • Author(s): 篠﨑基矢, 武藤由依, 北田孝仁, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 機械学習による量子ドットの電荷状態推定 (2020)
  • Author(s): 中曽拓, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 北田孝仁, 武藤由依, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 兼村厚範, 大塚朋廣
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Noise analysis of radio-frequency reflectometry in quantum dots (2020)
  • Author(s): Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: 第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会
• [Presentation] Noise dependence of the charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach (2020)
  • Author(s): Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
  • Organizer: 第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会