2016 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Science of hybrid quantum systems |
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15H05869
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
山口 浩司 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 上席特別研究員 (60374071)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
本間 芳和 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 教授 (30385512)
有江 隆之 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80533017)
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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 / ナノチューブ / グラフェン / 微小共振器 / 機械材料・材料力学 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の計画に従い、量子ドットとフォノン共振器のハイブリッド素子の研究を進め、こられの結合動作に成功した。具体的には、量子ドットを用いて共振器の振動振幅を高感度に検出することに成功し、63fm/√Hzという高い検出感度を実現した。また、量子ドットにおける単一電子輸送により共振器の振動減衰・増幅効果を見出した。結合パラメトリック共振器を1/2スピンとして用い、それらの間の相関を電気的に生成することに成功した。この成果はフォノンイジングマシンとしての将来応用が期待される。また、フォノニック結晶を構成するナノ構造の配列を工夫し、熱フォノンに指向性を持たせること、および固体集熱の実証に世界で初めて成功した。さらに、量子ドットの発光制御を行う上で有利になる新しいタイプのフォノニック結晶を設計し、そのフォノンモード制御への有用性を実証した。新たに立ち上げた「周期ナノ構造を用いたフォノン場・フォトン場同時制御による量子ドット励起子の緩和制御」については、MBEを用いてInGaAlAs量子ドット層を有する薄膜構造を設計・作製し、光学評価を行った。
一方、ボトムアップのフォノニック構造の研究においては、電子・フォノンハイブリッドを目指した架橋CNT素子の開発を進めた。単一CNTの温度分布を光学的に評価する手法を開発し，カイラリティを特定したCNTを用いて熱伝導率の温度依存性を明らかにした。さらに今年度はより大幅なフォノンの伝導制御を目指し、従来のトップダウンに代わるグラフェンの同位体ヘテロ構造作製法として、原料ガスの切り替えによるボトムアップ合成法を確立した。このように作製したグラフェンでは、ヘテロ界面が炭素原子のジグザグ構造を有していると考えられるため、波動性を生かしたより緻密なフォノン制御が期待できる。
また勉強会を定期的に開催し、計画研究内あるいは領域内の共同研究活性化に努めた。
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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
フォノンと他の素励起のハイブリッド系ならびに量子状態の制御という将来目標に向け、その基盤技術の蓄積が着実に進展しつつある。フォノンと電子のハイブリッド素子に関しては、すでに量子ドットとフォノン共振器のハイブリッド動作に成功し、量子ドットにおける電子準位のフォノンによる変調ならびにその逆動作が確認されている。この成果は、異なる素励起間の量子ハイブリッド動作を実現したという意味において、本プロジェクトの大きなブレークスルーのひとつとなる成果である。さらに、フォノンの高度制御という側面においては、結合フォノン共振器やフォノニック結晶を用いたフォノン制御技術が着実に進捗しており、イジング相互作用の実現やフォノン流制御の世界に先駆けた実現などに成功している。班内や公募研究との連携も進んでおり、新たなテーマの創出や、ファイバーオプトメカニクス、励起子オプトメカニクスなどの新しい実験系の立ち上げが行われている。カーボンナノチューブならびにグラフェンなどのボトムアップ構造に関しても、電荷・スピン班等との連携による架橋カーボンナノチューブ素子の作製が順調に進んでいる。また、フォノン制御したグラフェン共振器を用いた超高感度熱計測に向け、従来のトップダウン合成では不可能であった界面の構造制御をボトムアップ合成法により確立することに成功している。さらに界面構造をナノメートルスケールで評価するために、電荷・スピン班のメンバーとの共同研究を開始している。このように、トップダウンならびにボトムアップの両側面とも基盤技術の確立ならびに他グループとの連携において、概ね計画通りに進捗しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、領域内の他研究グループとの連携を進め、ハイブリッド量子系の実現に向けた基盤技術の確立を目指す。トップダウン構造においては電荷・スピンならびに光とのハイブリッド構造の研究を多様化させ、量子井戸や量子ドット発光構造とフォノン共振器のハイブリッド動作や、光学活性な半導体量子構造を用いたオプトメカニカル動作の実現を目指す。量子構造とフォノニック結晶に関する研究では、引き続きシミュレーターによる設計と試料の作製を進め、低温においてフォノン場制御の効果を活かした物理制御を行う。フォトン班と連携した、周期ナノ構造を用いたフォノン場・フォトン場同時制御による量子ドット励起子の緩和制御に関する研究も積極的に進める。一方、ボトムアップ構造においては、架橋カーボンナノチューブ素子の原子間力顕微鏡探針や機械共振による変調実験を通してフォノン・電子（励起子）ハイブリッド系の研究を展開する。単一カーボンナノチューブの熱物性に関する基礎データを収集し、電荷・スピン班との共同研究を通してヘテロ界面構造を明らかにすることで、よりフォノン伝導制御可能な構造を探索すべく合成条件にフィードバックしていく。フォノンの波動性を利用した構造により熱伝導率を極限まで低下させることで、高感度熱計測可能な共振器や電荷との相互作用を利用したハイブリッドデバイスの実現につなげる。また、勉強会や計画研究の打ち合わせを引き続き定期的に開催し、計画研究内あるいは領域内の共同研究活性化に努める。
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