量子ドットを用いたスピン量子操作のための材料系および機能探索

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14076218
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 石橋 幸治 独立行政法人理化学研究所, 極微デバイス工学研究室, 主任研究員 (30211048)
• Keywords: カーボンナノチューブ / スピン操作 / 量子ドット / 電子数の偶奇性効果 / 単電子トランジスタ

Research Abstract

本研究では、量子ドットを用いた単一スピンの制御を行うことを目的としている。その際、スピンを操作することに関して材料的な観点から研究を行っている。これまで伝統的な化合物半導体と新しい材料であるカーボンナノチューブなどを用いて量子ドットを形成しスピン操作の可能性を探索しているが、今年度はカーボンナノチューブ量子ドットで単一スピンの発生を確認することができた。カーボンナノチューブの量子ドットとしてのクーロンブロッケード特性を測定すると、単電子トランジスタのオーソドックスモデルで説明される振動間隔が一定なクーロン振動に対して、振動間隔自身が大小を繰り返す振動を観測した。これは、電子数の偶奇性効果と呼ばれ、閉じこめによる離散準位間隔が帯電エネルギーに対して無視できないほど大きなカーボンナノチューブに特有のパラメータの関係により初めて可能となる。すなわち、電子数が奇数の時に次の電子が入るときには帯電エネルギーだけのエネルギーですむが、電子数が偶数の時に次の電子が入るときには、同じ軌道はすでに埋められているのでその軌道には入ることができず、一つ上の軌道準位に入らなければならない。このために帯電エネルギーに離散準位間隔を加えたエネルギーが必要となる。このことは、多電子を含むドットであるにもかかわらず、あたかも自由電子のように電子が下の準位から詰まっていることに相当し、このために電子数が奇数個の時にはスピン1/2が発生していることになる。このことを利用すれば、多電子を含む量子ドットにおいても容易に単一スピンを発生することができることを示すことができた。

Research Products

• [Publications] T.Fuse, S.Moriyama, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi: "Observation of even-odd effect and fourfold degeneracy in single-wall carbon nanotube quantum dots"Superlattices and Microstructures. (掲載予定). (2004)