2017 Fiscal Year Research-status Report
Electron-phonon coupled systems with phononic crystal resonators
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17K18751
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | フォノニック結晶共振器 / 電子フォノン結合系 / 量子ナノデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究「フォノニック結晶共振器による電子フォノン結合系」では、人為的に作製したフォノニック結晶によりフォノン分散関係を変調することや、フォノンを狭い空間に閉じ込めたフォノン共振器構造を用いることにより、電子格子相互作用を積極的に活用し、コヒーレントに結合した電子フォノン結合系を創生することを目的として研究を進めている。具体的には、AlGaAs/GaAs変調ドープヘテロ構造などの半導体表面に、人工的に設計された金属周期構造を作製することにより、表面フォノン（表面弾性波）を用いたフォノニック結晶を作製する。人工的に設計されたフォノン分散関係、人為的な欠陥によるフォノン共振器中に、二次元・一次元・零次元の低次元電子系を作り込むことにより、フォノンと電子の結合系を実現し、電子系の輸送特性やフォノンの伝搬特性などを評価することにより、電子フォノン結合系の研究を進める。
平成２９年度は、下記の研究成果を得た。［１］スピン閉塞領域の二電子系二重量子ドットを用いて、量子ドットのラビ分裂に関する実験の解析を行った。Lindbladマスター方程式を用いた数値計算により、共鳴フォノン支援トンネル条件のシフトとラビ分裂との関係を明らかにし、実験結果とよい対応を確認した。この手法では、ボゾンの種類によらずラビ分裂を観測することができ、実験でもフォノンとフォトンの両者に対してピークシフトを観測することに成功した。［２］二重量子ドットのトンネル結合を実験的に見積もる手法として、電荷検出を用いた静電容量測定を提案した。正弦波によるポテンシャル変調でLandau-Zener遷移を誘起し、その遷移確率に対応した容量を得ることができる。特に、フォノン散乱の影響を受けにくいという特徴があると予測される点で興味深い測定手法である。
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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
スピン閉塞領域でのフォノン支援トンネルを用いてラビ振動を検出する方法は、本研究での独自のものであり、今後も活用して研究を進める点で、重要な進展である。また、基本的な量子ダイナミクスであるLandau-Zener遷移を正弦波印加によって近似的に実現する手法についても、独自性があり興味深い。フォノニック結晶共振器の作製については、金属材料の選択に関する実験で進展があり、国際会議発表を行った。Focusing型の共振器構造での実験を進め、国際会議発表を行った。さらに、全く新しい視点で、微小量子ホール系の周期構造とフォノンの結合系に関する実験を計画中であり、表面弾性波フォノンの時間反転性を破る研究にも着手した。これらは、いずれも挑戦的で独自性のある内容であり、新たな電子フォノン結合系の研究を行なう上で重要な知見となるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度の結果をもとに、フォノニック結晶共振器による電子フォノン結合系の研究を進める。金属材料の検討を進め、TiまたはCrを用いて作製したフォノン共振器構造をマイクロ波帯での散乱特性を評価し、結合モード解析によるシミュレーションとの対比を行うとともに、バルク材料の弾性定数による予測との対比などを含めて検討することで、フォノン共振器の設計指針を得る。また、Focusing型のフォノン共振器構造の設計パラメータを最適化し、マイクロ波共振特性のQ値のパラメータ依存性などの解析から、Focusing効果の確認を目指す。これらの技術を用いて、二重量子ドットを作り込んだ電子フォノン結合系の素子を作製する。近接効果補正を用いた電子ビーム露光によって均一性の高いフォノン共振器構造を作製する。また、極低温での輸送測定によって、ラビ振動の増強をスピン閉塞領域でのフォノン支援トンネルの手法などによって明らかにする。また、新しい研究の方向性として、量子ホール系とフォノン系との結合素子の作製に着手し、ピエゾ効果によって電子系とフォノン系との結合を目指す。表面弾性波の散乱測定によって、フォノン系の時間反転対称性に関する知見を得るなど、発展的な課題の挑戦する。
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| Causes of Carryover |
H29年度は、電子輸送に関する計算、フォノン輸送に関するシミュレーション技術など計算による研究に集中して研究を進めたこと、フォノニック結晶共振器の作製条件の最適化など既存の設備を用いた実験研究が中心になったことなどにより予算に余裕が生じた。H30年度には、微細構造の設計・作製を行なう予定でありフォトマスクの作製、電子ビーム露光や電子顕微鏡の利用料に予算を使う予定である。また、希釈冷凍機を中心にして極低温での電子フォノン結合系による研究を予定していることから、液体ヘリウム購入の費用にも充てる。
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