2017 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) |
本間 芳和 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 教授 (30385512)
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
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 |
トップダウン構造を用いたフォノニック結晶に関する研究では、周波数チャープを行ったフォノンパルスの圧縮実験に加え、櫛形電極を用いた新デバイス構造による伝搬波非線形４波混合の実験に成功した。この実験より非線形係数の定量的見積もりを行い、フォノンソリトンの生成に目途を得た。また、これまで行ってきたGaAsやSiに加え、SiGeの検討も開始した。SiGe材料では、ハイブリッド量子系で重要となるフォノンのコヒーレンス長がSiよりも長く、長さ5 umのナノワイヤーで室温においても弾道的フォノン輸送が起こることを確認した。昨年度、フォトン班と連携して新たに立ち上げた「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、InGaAlAs量子ドット層を有する薄膜構造にフォトニック/フォノニック結晶ナノ構造を形成するプロセスを進めている。
ボトムアップ手法を用いたカーボンナノ材料に関する研究においては、Pt電極間に架橋したカーボンナノチューブ(CNT)デバイスを作製し、原子間力顕微鏡の探針による機械的・電気的変調を実現した。また、高度なCNT成長技術を活かし、フォトン班平川グループのCNT単電子トランジスタを用いたテラヘルツ分光の計測に寄与した。また、フォノニック構造のボトムアップ合成を用いて、異なる同位体による周期幅1um以下の超格子構造を有する単結晶グラフェンの作製に成功し、中心の温度上昇の見積もりから、フォノンの伝導がおよそ40％阻害されていることを確認した。一方グラフェン中のフォノン伝導は、ごく僅かな歪みによっても大きく阻害されることを明らかにした。今後は班内外のチームとの連携の下、理論と実験の両面からそのメカニズムを明らかにしていく。
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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
トップダウン手法によるフォノニック結晶に関する研究では、今回非線形性と分散効果の定量的見積もりが可能となったことで、ソリトン生成に向けた目途が得られた点は大きな進展である。また、フォノニック結晶を用いたフォノン場制御に関する研究では、Siを用いて計画した研究が順調に進展している。それに加えて、材料系を広げることでフォノンハイブリッド量子系により適した環境を用意できる可能性を見出している。フォトン班と連携した新たなテーマも推進しており、本領域の趣旨に沿った活動が行われており、順調に進展していると言える。
加えて、半導体量子構造と機械共振器のハイブリッド構造に関しては、励起子状態に対する歪の影響をｋ・ｐ摂動法により数値的に評価することに成功した。この結果は、フォノンと電荷スピン、さらにはフォトンとの複合ハイブリッド動作を実現するうえで重要な進捗であるといえる。
ボトムアップ手法に関しては、CNTハイブリッド素子の開発やラマン分光によるCNTのフォノンの計測が順調に進んでいる。単一CNTの熱伝導特性評価に関しては、カイラリティ依存性の解明が予定より遅れながらも、着実に進展している。さらにナノカーボンのボトムアップによる超格子構造の合成法の確立にも成功した。グラフェンによる超格子界面の結晶構造については電荷・スピン班と連携し、引き続き明らかにしていく予定である。さらに歪みを印加したグラフェンの熱伝導率変化を明らかにすることも可能となった。今後、ナノカーボン共振器の外場による動的制御の可能性を示唆する成果として、大きな進展が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体量子構造と機械共振器のハイブリッド構造においては、フォトンともハイブリッド動作が可能なオプトエレクトロメカニクス構造の研究を発展させる。また量子ドットとメカニカル共振器のハイブリッド構造においては、核スピン制御の研究に引き続き取り組み、機械共振を介した核スピンのサイドバンド励振を行う。
一方、フォノニック結晶に関する研究では、GHzレンジの高い周波数を有するフォノニック結晶導波路ならびに共振器の実現を目指す。また、引き続きシミュレーターによる設計と構造作製を進め、フォノン場制御の効果を活かした物理制御を行う。これまでコヒーレンスを活用した実験は低温に限られていたが、SiGeを用いてより高温での効果の発現に挑戦する。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、引き続き推進する。
ボトムアップ手法に関しては、架橋CNTハイブリッド素子を用いたフォノン制御の基礎研究を行う。開発した蛍光イメージングによる熱伝導計測法を活用し、低温領域から室温にわたる熱伝導率の温度変化の全容を解明する。さらには、超格子構造を有するナノカーボンフォノニック結晶を用いて、歪みや電場など外場によるフォノン伝導制御の基礎データを収集し、その知見に基づき光誘起熱駆動型の機械共振器における動的制御を通して、フォトン－電荷―フォノンのハイブリッド系を構築し、高感度センサの実現へとつなげる。
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