2019 Fiscal Year Research-status Report
量子計算モデルとなる希薄ドープ半導体の超低温・高磁場での磁気共鳴法による研究
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17K05514
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
藤井 裕 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (70360633)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴 / 核磁気共鳴 / 二重磁気共鳴 / 希薄ドープ半導体 / 平面型NMRコイル / シリコン / 抵抗検出型ESR / 量子計算モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、希薄ドープ半導体におけるドナー電子とドナー原子核スピンを用いた量子計算モデル実現の基礎研究として、電子スピン共鳴(ESR)と核磁気共鳴(NMR)に加えて半導体特有の光励起による電気伝導性とスピン偏極の相関を用いてスピン状態の制御や観測を目指すものである。昨年度までに、ESR励起による動的核偏極(DNP)効果を用いて、最大80%の核スピン偏極を達成した。また超低温で使用可能なミリ波帯共振器にNMR用の平面型コイルを組み込むことにより、NMRとESRの双方を一度に測定できるようにした。本年度は主に以下の成果を得た。
(1) 光励起を用いた電気抵抗測定によりESR信号を測定する抵抗検出型ESR (略してEDMR)測定について：極低温領域まで電気抵抗測定を行うために、電極付き試料を作成した。シリコン表面のエッチングについては、エッチング液の調合等、電極作成においては、電極形状、厚み、蒸着方法、アニール温度・時間などの最適化が必要で、その探索を行った。
(2) 光励起によるDNP効果を用いて核スピンを偏極させ、NMRとESRを組み合わせた測定の可能性を探索する：本研究で用いる半導体試料は低温で絶縁体となる希薄ドープであり、光励起による伝導電子の励起が必須である。各種LEDを用いて照射した光の強度による電気抵抗変化を確認するとともに、波長に依存するかなどの試験を行った。白色、赤・緑・青の単色でもほぼ変わらない結果が得られた。あわせて熱発生による電気抵抗変化を抑制するために赤外線フィルターを挿入した。しかしながら、励起伝導電子の密度は十分でなく、照射方法を見直す必要が分かった。また、現在はミリ波共振モードを乱さないように電極間距離を10mm程度にしているが、距離を極端に狭めてシリコンの電気抵抗の絶対値を小さくする必要があることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究の目的のひとつであった二重磁気共鳴測定はほぼ成功しているが、本研究においてもう一つの目標であったEDMR信号検出には至っていない。この要因として、予想以上に試料作成が困難であり、時間を要している。エッチング方法と金属蒸着には一定の目処が立った。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の通り、EDMR測定に適した試料を作成することが最も肝要である。この点は１年かけてほぼクリアできたと考えており、延長期間において再度試料を作成し、測定にトライする予定である。特に電極間距離を狭めた場合に、ミリ波共振モードとの干渉を評価し、ESRを行えるように早急に取り組む。
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| Causes of Carryover |
昨年度までに報告した、希釈冷凍機の不具合の修理や新しい超伝導マグネットの設置があったことによる遅れに加えて、試料作成が予想以上に難しく時間を要しており、本研究課題の目的を達成するために次年度に実験を行うこととした。このため、次年度に消耗品および装置利用のための旅費ならびに実験のための寒剤代に使用する予定である。
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[Presentation] Development of Meanderline Coils for Millimeter-Wave ESR/NMR Double Magnetic Resonance Measurements of Thin Samples2019
Author(s)
Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Yuta Koizumi, Tsunehiro Omija, Akira Fukuda, Akira Matsubara, Takao Mizusaki, Soonchil Lee, Eiichi Kobayashi, Hikomitsu Kikuchi, Seitaro Mitsudo
Organizer
2019ISMAR EUROMAR Joint Conference GDCh FGMR Discussion Meeting
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[Presentation] 3He-4He希釈冷凍機を用いたミリ波帯超低温ESR/NMR測定装置の開発2019
Author(s)
石川裕也, 藤井裕, 大矢健太, 三浦俊亮, 福田昭, 浅野貴行, 小泉優太, 光藤誠太郎, 水崎隆雄, 松原明, 菊池彦光, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev, 山森英智
Organizer
日本赤外線学会第83回定例研究会
Invited
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[Presentation] 福井大学におけるミリ波帯磁気共鳴装置開発の取り組みII2019
Author(s)
石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 浅野貴行, 大見謝恒宙, 堂野壱暉, 福田昭, 水崎隆雄, 松原明, 山森英智, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev,菊池彦光
Organizer
第六回西日本強磁場科学研究会
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