2015 Fiscal Year Research-status Report
超高感度電荷センサである単一電子素子を用いた磁束量子検出法の4.2K動作実証
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15K13999
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
水柿 義直 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (30280887)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 単一磁束量子 / 単一電子 / 集積回路 / 低温 / 周波数変調 / 確率共鳴 / パーコレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，超伝導リング内の磁束量子の有無を，後付けした単一電子素子で検出することを目標としている。平成27年度においては，まず，それぞれの回路・素子を安定して作製・動作させることを目指した。
超伝導回路については，超伝導ニオブ集積回路の試作・測定を通した動作検証を行った。測定温度は液体ヘリウム温度とした。磁束量子伝搬制御を基本とした，単一磁束量子の繰り返し周波数変調や，単一磁束量子の順次読み出しメモリ回路について，動作の検証に成功した。
単一電子素子については，数値計算による特性向上の検討，および金ナノ粒子を用いた単一電子素子の作製と特性評価を行った。数値計算による特性向上については，単一電子トランジスタの前段に単一電子箱を設けることで入出力特性が改善されること，さらに単一電子箱を２段接続することで読み出し確率が向上すること（確率共鳴）を確認した。一方，金ナノ粒子を用いた単一電子素子の作製については，数百ナノメートルという比較的大きな寸法の電極上に金ナノ粒子を散布するだけでパーコレーションに似た電流パスが形成され，液体ヘリウム温度はもちろんのこと，液体窒素温度や室温にて帯電効果が発現することを見出した。
本研究課題の目標達成のためには，超伝導ニオブ集積回路上に単一電子素子を作製することが必要である。現時点では，単一電子素子の歩留まりが低いという課題が浮上している。超伝導ニオブ集積回路側においても，単一電子素子の追加作製に向けた設計に不具合が見つかっている。後者については，その修正は比較的容易であるが，前者については，何らかの工夫が必要である。現在，リソグラフィ工程を追加したプロセスを試行している。
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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
「研究実績の概要」に記載したように，超伝導回路と単一電子素子それぞれの作製についてはおおよそ予定通りに進んでおり，研究成果発表もできている。ただし，単一電子素子作製の歩留まりが低いことから，超伝導回路上への単一電子素子の作製には，何らかの工夫を加える必要があると思われる。このことから，進捗状況としては「(2) おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には，交付申請書に記した「平成28年度の研究実施計画」に従って実施する。
超伝導回路については，単一電子素子の追加作製に備えた設計を見直す。最初に試みる「単一磁束量子論理回路側にディジタル状態を電圧に変換する機構を設けた回路」については，それほど困難ではないと考えている。一方，「電圧変換機構を介さない回路」については，いくつかのアイディアを試すことになる。
単一電子素子の作製については，「リソグラフィ工程を追加したプロセス」を中心として，歩留まり向上を図る。また，超伝導回路上に素子を作製し，その特性を測定する際，「単一磁束量子を検出しているのか，超伝導回路への入力信号を検出しているのか」を判別できる機構を設ける。
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| Causes of Carryover |
平成27年度にて生じた「次年度使用額」の8割は，産業技術総合研究所での超伝導集積チップ試作費用が当初予測よりも下回ったことによるものである。また，チップ試作に必要な消耗品の一部（電子ビームレジスト等）の購入を先送りしたことも次年度使用額が生じた原因となる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度においては，試作費用が値上がりする旨の連絡を受けている。また平成27年度にて研究成果が得られていることから，当初予定よりも外部発表の機会が多くなる見込まれる。これらに「次年度使用額」を使用する予定である。これら以外については，当初の計画通りの使用を予定している。なお，超伝導チップ試作費の費目は，当初想定していた「物品費」ではなく「その他」に分類されることになったため，「物品費」の額が少なく，「その他」の額が多くなっている。
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