2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Science of hybrid quantum systems |
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15H05868
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水落 憲和 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00323311)
岩本 敏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (40359667)
早瀬 潤子 (伊師潤子) 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50342746)
赤羽 浩一 国立研究開発法人情報通信研究機構, 光ネットワーク研究所光通信基盤研究室, 主任研究員 (50359072)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / フォトニック結晶 / 量子ドット / 共振器 / テラヘルツ / 分子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Quantum Enabled Technologyの実現においては、固体内の量子情報を遠方に伝送するために、フォトンとその他の物理系（電子・スピン、フォノン）との相互作用の解明と制御は極めて重要である。本年度は、特に以下のような成果が挙がった。
１）原子スケールのギャップを有する金属電極を作製し、ギャップ部分に単一分子を捕獲し、テラヘルツ電磁波で分光を行う基礎実験に成功した。まだ、S/N比や分解能はよくないものの、分子のメカニカルな重心運動と電子伝導のダイナミクスに関する信号が観測できつつある。この成果は、回折限界を大きく超えたナノサイエンスという分野に繋がるものである。
２）フォトンの量子制御に関しては、三次元カイラルフォトニック結晶に面欠陥を導入した構造について検討を行い、数値計算により円偏光バンドギャップ中に円偏光共振器モードが存在することを示すとともに、マイクロマニプレーション法を用いて実際に試料を作製し、共振器モードを観測することに成功した。
３）ダイヤモンドNV中心については、ダイヤモンドnin構造を用いた試料において、NV中心の電荷状態の安定化に取り組んだ。また、液体ヘリウムを用いた低温下での磁気共鳴が可能な共焦点レーザー顕微鏡装置の構築ための準備、実験室の整備を行った。さらに、基板微細加工と化学気相成長を組み合わせることで、位置・配向が制御されたダイヤモンド中NV中心集合体を生成し、交流磁場センシングのデモンストレーションを行なった。
４）半導体量子ドットについては、その成長方法や評価方法の整備を行うとともに、新たに半導体量子ドットと半導体超格子をハイブリッドに積層させる構造を提案し、構造劣化を起こすことなく結晶成長することに成功した。さらにInAs積層量子ドット集合体からのフォトンエコー光の生成効率がチャープパルスを用いることで改善できることを見出した。
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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
本研究では、①分子スケールのテラヘルツダイナミクス、②３次元フォトニック結晶、③ダイヤモンドNVセンター、④量子ドットと光のコヒーレント相互作用、の４つのテーマを軸に研究を進めるが、本年度は主にそのための準備や予備実験を行っている段階である。
１）単一分子テラヘルツ分光においては、世界で初めて単一分子からの信号の観測に成功したが、分解能やS/N比が十分ではなく、精密な議論を行うために高輝度なTHz発生系を整備しつつある。
２）３次元フォトニック結晶については、当初計画した円偏光共振器の設計と作製および基礎評価という当初計画は十分達成された。さらに、共振器の特性（Q値、偏光度）の改善を図りつつある。
３）ダイヤモンドNV中心については、量子センシング応用において、その基礎となるサンプル作製および測定系開発を進め、当初の計画通り、交流磁場をセンシングするところまで至った。さらに、ダイヤモンドn-i-n構造を用いた試料において、今後につながる成果を得られた。また、H27年度は、研究分担者の水落の異動に伴い、研究室の移動があったが、予定通り移設を完了し、装置の立ち上げを速やかに開始でき、今後の目的達成のための準備を予定通り進められた。
４）フォトンエコー法を用いた量子ドット励起子集合体の量子制御に関しても、実験および数値計算の両方から進めており、結晶欠陥が低減される新しいナノ構造結晶の作製にも成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度以降は以下のような方針で研究を推進していく。
１）単一分子テラヘルツ計測においては、これまで用いていた黒体光源では輝度が弱く、十分なテラヘルツ電磁波の強度が得られないため、フェムト秒励起のテラヘルツパルスやレーザ差周波テラヘルツ発生法など新しい光源を用いた測定系を立ち上げる。また、最近、検討を開始したMEMSの機械振動を用いてテラヘルツ電磁波を検出する可能性についても検討を進める。
２）フォトニック結晶による輻射場制御に関しては、カイラルフォトニック結晶共振器の光学評価を継続して進めるとともに、その高Q値化を図る。また、カイラルフォトニック結晶中のバンドエッジモードや共振器モードにより制御された円偏光輻射場による量子ドットの発光ダイナミクスの変化を探求し、円偏光光子と量子ドットの相互作用の増強・制御を目指す。
３）ダイヤモンドNV中心に関しては、H27度から繰り越しした費用などを基に、低温下での磁気共鳴が可能な共焦点レーザー顕微鏡や室温下での高磁場・高周波での磁気共鳴が可能な共焦点レーザー顕微鏡の構築、半導体n型ダイヤモンドを用いた電荷状態の安定化、原子レベルでの表面平坦化による欠陥低減と表面付近のNV中心のスピンコヒーレンス時間の長時間化に取り組む。さらに、ダイヤモンドNV中心を用いた量子センシング応用においては、試料と測定装置の改善を進め、磁場検出感度を向上させるとともに、電荷・スピン班、理論班との連携によりカーボンナノチューブ中を流れる電流をセンシングすることを目指す。
５）量子ドットに関しては、フォトン班内での共同研究が２件開始しているため、必要な半導体ナノ構造の結晶を提供する体制を整える。また、27年度に得られた構造の光物性測定を行う。さらに、高時間分解能単一光子検出技術を開発し、量子ドットからのフォトンエコー信号の光子相関測定を行なう準備を進める。
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