2018 Fiscal Year Annual Research Report
Science of photonic hybrid quantum systems
| 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 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)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 量子光学 / 量子ドット / フォトニック結晶 / 光のスピン軌道相互作用 / NV中心 / 単一分子トランジスタ / テラヘルツ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、主に以下のような成果が挙がった。
１）ナノギャップ電極を用いて単一金属原子内包フラーレンのテラヘルツ（THz）分光を行い、単一Ce原子の振動モードとコヒーレンスの議論を行った。また、Dirac半金属であるCd3Se2ナノワイヤーの特異な伝導現象についても知見を得た。さらに、MEMS共振器を用いたハイブリッドTHz検出器に関して、大振幅動作によるMEMS振動モード間のコヒーレントなエネルギー移動と感度の増大効果について検討を続けている。
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技術の開発と量子状態の制御の研究に取り組んだ。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（ドレスト状態）を用いると、電子スピンのスピンコヒーレンス時間が2桁以上向上することを実験的に実証した。また、ドレスト状態を用いた磁気センサ量子プロトコルを提案し、感度が桁違いに良くなることも理論的に示した。さらに、多周波数ベクトル磁場センシングおよびCW-ODMRによる交流磁場センシングの技術を用いて、ダイヤモンドNV中心を用いた微小交流磁場のセンシングを行なった。
３）カイラルフォトニック結晶におけるトポロジカル表面状態が円偏光を有することを明らかにし、スピンと光のハイブリッドインターフェースの新たなプラットフォームとなる可能性を示した。また、フォトニック結晶ナノ共振器を利用した量子ドットスピンと光渦のインターフェースを提案した。さらに、非対称断面構造を有する光導波路では、量子ドット集合体の平均スピン状態に依存した方向性発光が実現できることを理論的に示した。
４）光共振器付量子ドットサンプルを作製・評価し、フォトンエコー信号の増強を観測した。さらに高時間分解能を有する周波数上方変換単一光子検出器を開発し、量子ドットからのフォトンエコー信号を検出することに成功した。
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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。MEMSを用いたハイブリッドTHz検出に関しては、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。
２）昨年度までに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）の生成に成功していたが、今年度は更に、これを用いるとスピンコヒーレンス時間であるT2とT2*がそれぞれ2桁以上長時間化することを実験的に示した。更にドレスト状態を用いた磁気センサ量子プロトコルを提案し、感度が桁違いに良くなることを理論的に示した。さらに、当初計画した2つの交流磁場センシング手法をデモンストレーションすることに成功しただけでなく、センシングの研究を通じて、電子スピン2重共鳴現象の理解を深めることができた。
３）カイラルフォトニック結晶やフォトニック結晶ナノ共振器を用いた量子ドットスピンと光子の新たな量子インターフェースの可能性を提案したことに加え、フォトニックナノ構造の局所的な電磁場状態と物質の円偏光の量子力学的相互作用を活用することで、一方向レーザなどのフォトニクス技術にも貢献し得る新たな知見が得られた。
４）量子ドットにおいては、サンプル作製や光検出技術の開発など、当初予定していた研究計画を進めることができた。
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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、試料の構造を改善するとともに、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。MEMSを用いたテラヘルツ検出についても、大振幅動作時のモード間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。
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、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、単一系、及びアンサンブル系における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更なる高効率化を行い、現行の光検出効率を超える検出感度向上に向けた研究を推進する。さらに、より高感度なサンプル作製とともに、我々の考案した量子プロトコルを用いた高感度ベクトル磁場測定および温度測定を進める。また
３）カイラルフォトニック結晶における円偏光光子と量子ドットの相互作用に関する研究を継続するとともに、フォトニックナノ構造における光のスピン軌道相互作用を利用して光渦やポアンカレビームなどの特殊な光がもつトポロジカルチャージと物質のスピン状態を相関させる、新たなスピン-光子ハイブリッド系の実現を目指した基礎研究を推進する。
４）量子ドット集合体においては、これまで開発したサンプル作製および光検出技術を組み合わせ、チャープパルスによるフォトンエコー過程を利用したtime-binコヒーレントパルスの転写再生実験を進める予定である。
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[Journal Article] Optimization of temperature sensitivity using the optically detected magnetic-resonance spectrum of a nitrogen-vacancy center ensemble2018
Author(s)
K. Hayashi, Y. Matsuzaki, T. Taniguchi, T. Shimo-Oka, I. Nakamura, S. Onoda, T. Ohshima, H. Morishita, M. Fujiwara, S. Saito, N. Mizuochi
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Journal Title
Physical Review Applied
Volume: 10
Pages: 34009-1～８
DOI
Peer Reviewed
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