テラヘルツ励起による単一電子のコヒーレント制御と機能性素子への応用
Project/Area Number |
21K04820
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
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Research Institution | Tohoku Institute of Technology |
Principal Investigator |
柴田 憲治 東北工業大学, 工学部, 教授 (00436578)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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Keywords | 量子ドット / 単一電子トランジスタ / テラヘルツ |
Outline of Research at the Start |
単一の量子ドットを用いた量子情報処理デバイスは、1つの電子やスピン、光子に情報機能を持たせるため、次世代エレクトロニクスの有望な技術と言われている。特に10 nm程度のサイズの自己組織化量子ドットでは、系のエネルギースケールが数十meVとなり、テラヘルツ(THz)帯の光子のエネルギーに相当することから、THz帯での単一電子・スピン状態の動的制御による量子情報処理の実現が期待される。本研究では、THz光励起によってTHz光子やフォノンを単一の電子と強く相互作用させることで単一電子系の電荷・スピンの動力学をコヒーレントに制御し、情報機能を発現させることを目的として、必要な基盤技術の開発研究を行う。
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Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、応募者がこれまでに培った10 nm級量子ドットの単一電子トランジスタへの応用技術に基礎を置き、単一電子・スピン状態とその動力学がクーロン相互作用やスピン相互作用、テラヘルツ(THz)光、フォノンなどを用いて多彩に制御できることを実証するとともに、量子情報処理に向けた新規デバイスへの応用を探索することを目的として研究を行っている。昨年度は本プロジェクトの2年目であり、1年目に成功した単一のPbSコロイド量子ドットを活性層とするトランジスタ素子の作製と評価を引き続き行うことで、単一PbSコロイド量子ドットの電気伝導現象の理解と単一電荷やスピン状態の制御の高度化に関する実験を中心に実施した。その結果、幾つかの新しい知見を得ることができた。 まずは、量子ドットのサイズに依存して、帯電エネルギーや量子順位間隔が系統的に変化する様子を明らかにした。さらに、同一の量子ドットであってもドット中の電子軌道に依存して伝導度が何桁も変化する様子を観測し、それがドット中の電子波動関数の空間的な広がりに関与していることを明らかにした。また、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造を適用することにより、PbS量子ドットのホール準位と電子準位のそれぞれを介した電気伝導を観測することに成功した。以上から、良好な光学特性を示すコロイド量子ドットに対して、光学的特性はそのままに、電気伝導素子への応用の道も開くことができた。以上の結果は、本研究提案で予定していた実証実験の適用周波数範囲が、コロイド量子ドットを用いることによってTHz帯のみならず可視光領域まで拡大できることを示唆する結果であり、単一量子ドット素子への量子情報機能の付与がより柔軟に実現できるようになったことを意味している。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究により、良好な光学特性を示すコロイド量子ドットに対して、光学的特性はそのままに、電気伝導素子への応用の道も開くことができた。これにより、本研究提案で予定していた実証実験の適用周波数範囲が、コロイド量子ドットを用いることによってTHz帯のみならず可視光領域まで拡大できることが示唆され、単一ドット素子への量子情報機能の付与がより柔軟に実現できるようになったことから、おおむね順調に進展していると考えられる。
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Strategy for Future Research Activity |
本年度は、コロイド量子ドットを用いたトランジスタ素子の作製を引き続き行うことに加え、光照射下での伝導特性評価を始める予定である。また、コロイド量子ドットの材料としてPbS 量子ドット以外の材料系も検討することで、コロイド量子ドットの中でも特に量子情報デバイスに向いた材料系の探索を行いたいと考えている。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)