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Development and application of complex conductivity measurement method for two-dimensional electron systems using circularly polarized microwaves

Research Project

Project/Area Number 23K23232
Project/Area Number (Other) 22H01964 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

荒川 智紀  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター, 研究員 (00706757)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Keywords2次元電子系 / 空洞共振器 / 誘電体共振器 / 円偏波マイクロ波 / 複素伝導度 / 円偏波 / マイクロ波 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用
Outline of Research at the Start

近年、層状物質、酸化物界面、トポロジカル物質の表面など、特異な性質をもった2次元電子系が相次いで報告され、輸送現象の微視的な理解と次世代デバイスへの応用は重要なテーマとなっている。しかし、2次元電子系の輸送現象の研究には、主に直流極限での伝導度測定が利用されるため、電子のダイナミクスに関しては理解が進んでいない。
本研究では、ダイナミクスを直接反映する複素伝導度の革新的な測定手法を開発する。この手法は、非接触に複素伝導度の全成分を測定でき、物質系に依存しない測定を可能にする。さらに、この手法を駆使して、2次元電子系の物理定数の新たな評価法の確立・電子ダイナミクスの解明を行い、その有用性を実証する。

Outline of Annual Research Achievements

通常、2次元電子系の輸送現象の研究では、直流極限での伝導度 (縦伝導度とホール伝導度)を測定する。しかし、この静的な手法では、電子のダイナミクスに関する情報が平均化によって消えてしまう。本研究の目的は、マイクロ波領域において複素伝導度の全成分を同時に測定できる非接触な複素伝導度の測定手法を開発し、電子ダイナミクスを研究する。特に、円偏波空洞共振器法と円偏波誘電体共振器法の二種類の手法を開発し、ほぼすべての2次元電子材料に適応できる手法として確立する。
本年度は、円偏波空洞共振器を用いてInGaAs/InAlAs界面形成された2次元電子系の複素伝導度の周波数特性を測定し、非自明な有効磁場の存在を説明するためのモデルの検討を開始した。円偏波誘電体共振器法の改良を行い、スタンプ法によってサファイア基板上に転写した劈開グラフェンの複素伝導度の検出を試みた。誘電体共振器の改良では、励振用アンテナとの結合を最適化することでQ値を改善し、誘電体の形状を最適化することで不要な不純物スピンのESR信号を低減することに成功した。
本測定手法では、低温環境下において左右の円偏波モードを独立に測定することで、4自由度の情報(左右の共振周波数と半値幅の変化)が得られる。本年度は、この測定をより高精度に行うため、独自の低温用校正手法を開発し、論文として発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

円偏波誘電体共振器法の開発では、励振用アンテナとの結合を最適化することでQ値を改善し、また、不純物スピンのESR信号の円偏波依存性から十分な円偏波純度が実現されていることが確認できた。ただし、大きさ数10 umの劈開グラフェンからの信号を検出するには、さらに測定感度を上げる必要がある。一方で、低温環境下における独自の校正手法を確立したため、今後はより高精度な円偏波分解測定が可能となる。

Strategy for Future Research Activity

円偏波誘電体共振器法の改良とフロッケ状態の探索を並行して推進する。円偏波誘電体共振器法によって劈開グラフェン(数10ミクロン程度)の信号を検出するため、誘電体形状をさらに工夫し、電磁界モードの電場を試料近傍に集中させることで相互作用を大きくする。一方、誘電体共振器のTE011モードを強く励振し、GaAs/AlGaAs界面の2次元電子系に垂直振動磁場を印加した状態で複素伝導度の測定を行い、フロッケ状態の探索を行う。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 3 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Universit´e Paris-Saclay, CNRS(フランス)

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      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Research on High-Frequency and High-Precision Measurement Techniques for the Development of Future Devices2023

    • Author(s)
      荒川 智紀
    • Journal Title

      Journal of The Society of Instrument and Control Engineers

      Volume: 62 Issue: 6 Pages: 349-356

    • DOI

      10.11499/sicejl.62.349

    • ISSN
      0453-4662, 1883-8170
    • Year and Date
      2023-06-10
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      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Transmission Attenuation Evaluation of Noise Suppression Sheet for 5G and Beyond2023

    • Author(s)
      Arakawa Tomonori、Igarashi Toshiyuki、Horibe Masahiro、Tamaru Shingo、Yoshida Shigeyoshi
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility

      Volume: 65 Issue: 4 Pages: 1037-1046

    • DOI

      10.1109/temc.2023.3276189

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-frequency noise in hBN/MoS2/hBN transistor at cryogenic temperatures toward low-noise cryo-CMOS device applications2023

    • Author(s)
      Nakaharai S.、Arakawa T.、Zulkefli A.、Iwasaki T.、Watanabe K.、Taniguchi T.、Wakayama Y.
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Issue: 26

    • DOI

      10.1063/5.0152475

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Calibrated Two-Port Microwave Measurement up to 26.5 GHz for Wide Temperature Range From 4 to 300 K2023

    • Author(s)
      Arakawa Tomonori、Kon Seitaro
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

      Volume: 72 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1109/tim.2023.3315393

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Kondo temperature evaluated from linear conductance in magnetic fields2023

    • Author(s)
      Sakano Rui、Hata Tokuro、Motoyama Kaiji、Teratani Yoshimichi、Tsutsumi Kazuhiko、Oguri Akira、Arakawa Tomonori、Ferrier Meydi、Deblock Richard、Eto Mikio、Kobayashi Kensuke
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Issue: 20 Pages: 205147-205156

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.205147

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Microwave Dynamical Conductivity in the Quantum Hall Regime2022

    • Author(s)
      T. Arakawa, T. Oka, S. Kon, and Y. Niimi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 129 Issue: 4

    • DOI

      10.1103/physrevlett.129.046801

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Polarization-Selective Excitation of Antiferromagnetic Resonance in Perpendicularly Magnetized Synthetic Antiferromagnets2022

    • Author(s)
      Shiota Yoichi、Arakawa Tomonori、Hisatomi Ryusuke、Moriyama Takahiro、Ono Teruo
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 18 Issue: 1 Pages: 014032-014032

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.18.014032

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 低温高周波部品の高精度計測技術とハードウェアテストベッド構築への取り組み2024

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      荒川智紀、昆盛太郎、金子晋久
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      2023年度物理計測クラブ講演会
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  • [Presentation] Theory and Experiment of Current Noise through Kondo Dot under Magnetic Fields2024

    • Author(s)
      阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2024
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of a circularly polarized microwave cavity and microwave Hall effect measurements2024

    • Author(s)
      六本木雅生、荒川智紀、吉野勇人、木下雄斗、徳永将史、橋本顕一郎、芝内孝禎
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2024
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スピン近藤効果による量子ドットの電流ノイズの磁場応答の理論と実験2024

    • Author(s)
      阪野塁、秦徳郎、本山海司、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] カーボンナノチューブ量子ドットの近藤状態における磁場誘起SU(4)-SU(2)クロスオーバーに対する3体的Fermi流体効果II2024

    • Author(s)
      佐伯彰彦、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、阪野塁、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、小林研介、小栗章
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 低温高周波部品・素材の高精度計測技術と品質保証2023

    • Author(s)
      荒川智紀、昆盛太郎、金子晋久
    • Organizer
      2023 Microwave Workshops & Exhibition (MWE 2023)
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Evaluation of the Kondo temperature from linear conductance measurements in magnetic fields in a carbon nanotube quantum dot2023

    • Author(s)
      阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、堤和彦、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
    • Organizer
      The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamics of two-dimensional electron systems probed by circularly polarized microwave2023

    • Author(s)
      荒川 智紀
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      12th WORKSHOP ON SEMICONDUCTOR/SUPERCONDUCTOR QUANTUM COHERENCE EFFECT AND QUANTUM INFORMATION
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 誘電体マイクロ波円偏波共振器を用いた物性測定技術の開発2023

    • Author(s)
      六本木雅生、荒川智紀、橋本顕一郎、芝内 孝禎
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      日本物理学会 第78回年次大会
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  • [Presentation] 垂直磁化人工反強磁性体における広帯域円偏波分解磁気共鳴測定2023

    • Author(s)
      塩田陽一、荒川智紀、久富隆佑、森山貴広、小野輝男
    • Organizer
      第47回日本磁気学会学術講演会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 円偏波マイクロ波を利用した磁性材料の計測ソリューション開発2023

    • Author(s)
      荒川智紀
    • Organizer
      2022年度NMIJ成果発表会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Wideband polarization selective spectroscopy based on crossed microstrip circuit2022

    • Author(s)
      荒川智紀、塩田陽一、山田啓介、小野輝男、昆盛太郎
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Polarization selective excitation of antiferromagnetic resonance in perpendicularly magnetized synthetic antiferromagnets2022

    • Author(s)
      塩田陽一、荒川智紀、久富隆佑、森山貴広、小野輝男
    • Organizer
      24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Magnetic dynamics of CrNb3S6 probed by a circularly polarized microwave spectroscopy2022

    • Author(s)
      荒川智紀
    • Organizer
      IEEE Kansai/Shikoku Joint Sections Magnetics Society Chapter Lecture
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Universal Scaling property of Linear Conductance through a Kondo Dot in Magnetic Field and its Application2022

    • Author(s)
      阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、荒川智紀、堤和彦、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
    • Organizer
      the 29th International Conference on Low Temperature Physics
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 磁気コンダクタンスを用いた近藤温度の見積もりの実験データへの適用2022

    • Author(s)
      阪野塁、秦徳郎、本山海司、寺谷義道、堤和彦、荒川智紀、Meydi Ferrier、Richard Deblock、江藤幹雄、小林研介、小栗章
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Polarization selective excitation of antiferromagnetic resonance in perpendicularly magnetized synthetic antiferromagnets2022

    • Author(s)
      塩田陽一、荒川智紀、久富隆佑、森山貴広、小野輝男
    • Organizer
      第83回 応用物理学会 秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Reduction of Low-Frequency Noise in N-Type FET with hBN/MoS2/hBN Channel for Cryo-CMOS Applications2022

    • Author(s)
      中払周、荒川智紀、Amir Zulkefli、岩崎拓哉、渡邊賢司、谷口尚、若山裕
    • Organizer
      WPI-MANA International Symposium 2022
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 円偏波マイクロを用いた螺旋磁性体の磁気共鳴現象の解明2022

    • Author(s)
      荒川智紀、島本雄介、昆盛太郎、高阪勇輔、戸川欣彦
    • Organizer
      ISSPワークショップ「カイラル物質科学の新展開」
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      2022 Annual Research Report
  • [Book] 次世代デバイス開発に資する計測技術の高周波化と 高精度化の研究2023

    • Author(s)
      荒川智紀
    • Total Pages
      15
    • Publisher
      計量標準総合センター(NMIJ)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 荒川智紀のホームページ

    • URL

      http://tarakawa.sakura.ne.jp/HPtomonori2/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 電磁気計測研究グループのホームページ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/ripm/elecmg/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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