2017 Fiscal Year Annual Research Report
Science of photonic hybrid quantum systems
| Project Area | Science of hybrid quantum systems |
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| Project/Area Number |
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 京都大学, 化学研究所, 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, ネットワークシステム研究所ネットワーク基盤研究室, 主任研究員 (50359072)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / 量子光学 / NV中心 / フォトニック結晶 / 量子ドット / テラヘルツ / 単一分子 / MEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フォトンに軸足を置きつつ、本年度は以下のような成果が挙がった。
１）ナノギャップ電極により単一金属内包フラーレン分子にTHz電磁波を照射し、カゴ分子内の単一原子のラトリングの観測に成功するとともに、単一カーボンナノチューブのTHz分光を行い、ナノチューブ中の多体効果とバンドパラメータに関する議論を行った。
２）ダイヤモンド中のNV中心のスピンにおける電気的制御と量子状態制御の研究に取り組んだ。電気的制御に関しては、NV中心によるダイヤモンド中の核スピンコヒーレンスの電気的検出に成功した。量子状態制御では、NV中心の電子スピンと電磁波の量子ハイブリッド状態生成などに成功し、これを用いると磁気センサ感度が桁違いに良くなることを理論的に示した。さらに、ダイヤモンドNV中心を用いた電子スピン多周波制御によるベクトル磁場センサおよびゼロ磁場下CW-ODMRによる交流磁場センサの新規提案および原理実証を行なった。
３）カイラルフォトニック結晶中に埋め込まれた量子ドットに対する時間分解発光測定において、左右円偏光状態で異なる発光寿命を観測した。これは、カイラルフォトニック結晶中での左右円偏光輻射場の違いに起因するものである。また、ある種の３次元フォトニック結晶導波路について、量子ドットのスピン状態に依存した方向性発光が実現出来ることを数値計算により示した。また量子ドット－光相互作用増強を目指し、光共振器用のDBRの設計および作製を行った。これまでにあまり例のないInP系材料を用いたDBRの結晶成長の最適化を進め、通信波長帯で反射率99％以上のDBRを作製することに成功した。
４）MEMS共振器を用いたハイブリッドTHz検出器の高感度化に向けた検討を行うとともに、大振幅動作によるMEMSモード間のコヒーレントなエネルギー移動と特異な振動振幅の先鋭な増大効果を観測した。
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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、固体とフォトンのコヒーレントな相互作用の制御を通して、量子技術の基礎を確立することを目標としている。本年度は、以下のような成果が挙がりつつあり、本研究はおおむね順調に進捗していると考えている。
１）ナノギャップ電極を用いた極限ナノ領域のTHz分光で、単一原子の振動や単一カーボンナノチューブのダイナミックな情報を得ることに世界で初めて成功したことは大きな成果である。
２）電気的制御技術開発に関しては、計画通りに研究を進め、NV中心によるダイヤモンド中の核スピンコヒーレンスの電気的検出に成功した。量子状態制御研究では、計画通りに研究を進め、NV中心の電子スピンと電磁波の量子ハイブリッド状態（ドレスト状態）生成などに成功し、これを用いると磁気センサ感度が桁違いに良くなることを理論的に示した。さらに、ダイヤモンドNV中心を用いた電子スピン多周波制御によるベクトル磁場センサおよびゼロ磁場下CW-ODMRによる交流磁場センサに関しても進展があった。
３）カイラルフォトニック結晶における量子ドットの左右円偏光の発光寿命の変化は、人工的に制御された円偏光輻射場との相互作用を示す結果であり、当初の目的である量子ドット励起子と円偏光光子の相互作用の増強・制御の第一歩となるものである。また、この成果を報告した論文は学術雑誌の注目論文(Editor’s Suggestion)にも選定された。さらに、量子ドット－光相互作用増強を目指した光共振器用のDBRの設計および作製においても、通信波長帯で反射率99％以上のDBRを作製することに成功したことは大きな成果である。
４）MEMSを用いたハイブリッドTHz検出に関しては、グループ内の協力によりMEMS梁に格子ひずみを導入した構造の作製を行うとともに、フォノン班とMEMS梁の非線形振動現象に関する議論を行うなど、共同研究も進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、電荷・スピン班、フォノン班と相互に連携を取り、量子技術の基盤を形成することが目標であり、理論班のサポートを得つつ、以下のような研究を推進する。
１）カーボンナノチューブに関しては、引き続きそのバンド構造の解明を継続するほか、ピーポッドやトポロジカル絶縁体ナノワイヤーなど新しい材料系の電子構造、ダイナミクスの研究を行う。
２）ダイヤモンド中のNV中心のスピンにおける量子状態制御研究においては、H29年度に成功した量子ハイブリッド状態（ドレスト状態）を用いた量子センサ感度向上の実験的実証研究を行い、量子ハイブリッド化による応用面での実証研究を推進する。電気的制御技術開発研究ではNV中心のスピン状態の電気的検出の高効率化を行い、少数個のスピン検出に向けた研究を推進する。さらに、ダイヤモンドNV中心を用いた磁場センサにおいては、サンプル作製条件の最適化による高感度化を進めるとともに、微小電流のセンシングおよびイメージングを行なう。
３）カイラルフォトニック結晶を中心とするフォトニックナノ構造における局所的電磁場と量子ドットの相互作用を活用した量子ハイブリッド技術の基盤研究を推進する。これまで中心的に取り組んできたカイラルフォトニック結晶における円偏光状態（光のスピン角運動量）の活用に加えて、光の軌道角運動量や進行方向（運動）量と量子ドットとの相互作用や相関を利用したハイブリッド量子系の新たな展開にも取り組む。さらに、光共振器付量子ドットサンプルにおいてフォトンエコー測定を行ない、フォトンエコー信号増強を狙う。また自作したアップコンバージョン単一光子検出器を用いて、単一光子レベルの微弱フォトンエコー信号の検出を行なう。
４）MEMSの大振幅動作時のコヒーレントモード結合の効果について、その機構を解明するとともに、高感度センシングへの応用展開を検討する。
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[Journal Article] Quantum Dots Formed in Three-dimensional Dirac Semimetal Cd3As2 Nanowires2018
Author(s)
M. Jung, K. Yoshida., K. Park, X.-X. Zhang, C. Yesilyurt, Z. B. Siu, M. B. A. Jalil, J.W. Park, J. Park, N. Nagaosa, J. Seo, and K. Hirakawa
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 18
Pages: 1863~1868
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Engineering of Fermi level by nin diamond junction for control of charge states of NV centers2018
Author(s)
T. Murai, T. Makino, H. Kato, M. Shimizu, D. E. Herbschleb, Y. Doi, H. Morishita, M. Fujiwara, M. Hatano, S. Yamasaki, N. Mizuochi
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 112
Pages: 111903-1～4
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Coupling a terahertz cavity to a carbon nanotube quantum dot2018
Author(s)
F. Valmorra, K. Yoshida, L. Contamin, T. Cubaynes, M. Dartiailh, M. Desjardins, S. Massabeau, K. Hirakawa, J. Mangeney, A. Cottet, and T. Kontos
Organizer
DPG Spring Meeting
Int'l Joint Research
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[Presentation] Coupling a terahertz cavity to a carbon nanotube quantum dot2018
Author(s)
F. Valmorra, K. Yoshida, L. Contamin, T. Cubaynes, M. Dartiailh, M. Desjardins, S. Massabeau, K. Hirakawa, J. Mangeney, A. Cottet, T. Kontos
Organizer
新学術領域「ハイブリッド量子科学」第六回領域会議
Invited
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[Presentation] Characterization and use of an ensemble of NV centers in diamond2018
Author(s)
Y. Matsuzaki, S. Saijo, H. Morishita, T. Shimooka, T. Tashima, K. Kakuyanagi, K. Semba, W. J. Munro, H. Yamaguchi, S. Saito, K. Hayashi, I. Hanano, H. Watanabe, N. Mizuochi, and J. Ishi-Hayase
Organizer
日本学術振興会「先端ナノデバイス・材料テクノロジー」151委員会 平成29年度第5回研究会
Invited
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[Presentation] Mode separation control of few-mode quantum dot lasers by using a multistep etalon filter2017
Author(s)
K. Akahane, M. Inui, R. Sakamoto, S. Nakane, M. Iwao, T. Umezawa, A. Matsumoto, A. Kanno, N. Yamamoto, T. Kawanishi, and H. Sotobayashi
Organizer
42nd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Wave 2017 (IRMMW-THz 2017)
Int'l Joint Research
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