2019 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 – 2021-03-31
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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。
令和元年度は、以下の研究を進めた。［１］二重量子ドットとフォノン共振器の結合状態を観測するためのフォーカシング共振器構造の検討を進めた。表面弾性波の異方性、焦点付近での位相発展、ビームウエストなどの効果を考慮する必要があり、引き続き素子設計指針を探る。［２］量子ホールエッジチャネルにおけるホットエレクトロンの光学フォノン散乱について、複数のゲート電極によってエッジポテンシャルの傾き（電場）を変調することで光学フォノン散乱を顕著に抑制することができることを示した。［３］表面弾性波と量子ホール系の結合により、フォノン輸送に非相反現象が現れる可能性について検討を行った。表面弾性波の波長を周期とする二次元電子系のアンチドット配列を試作し、表面弾性波の散乱特性について評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和元年度は、下記の研究成果を得た。［１］二重量子ドットとフォノン共振器の結合状態を観測するためには、フォノン場を量子ドットに集中するためのフォーカシング共振器構造が必要となる。この閉じ込めモードの設計においては、表面弾性波の異方性を正しく取り入れる必要がある。我々が試作したフォーカシング共振器構造の特性の再検討を進め、最近報告された類似のフォーカシング共振器の実験結果との比較・検討を行った。焦点付近での位相発展、ビームウエストなどの効果を考慮する必要があり、引き続き素子設計指針を探る必要がある。［２］量子ホールエッジチャネルにおけるホットエレクトロンの光学フォノン散乱について、複数のゲート電極によってエッジポテンシャルの傾き（電場）を変調することで光学フォノン散乱を顕著に抑制することができることを示した。特に、有限要素法によるエッジポテンシャルの数値計算を行い、予測されるフォノン散乱緩和時間・緩和長は、実験結果と定性的に一致する様子を確認した。この手法により、ホットエレクトロンの弾道的伝導を長距離にわたって観測できるようになった。［３］表面弾性波と量子ホール系の結合により、フォノン輸送に非相反現象が現れる可能性について検討を行った。最初の実験として、表面弾性波の波長を周期とする二次元電子系のアンチドット配列を試作し、表面弾性波の散乱特性について評価し、二次元周期構造に起因する散乱特性を確認した。表面弾性波が直角方向に散乱される強度には、僅かながら磁場の方向依存性が見られるものの、静電結合による寄与との分離が不十分であり、引き続き、素子構造などを含め研究を進める必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元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。以下の各テーマは、半導体素子の設計、半導体ナノリソグラフィーによる素子作製、極低温での高周波実験による表面弾性波測定によって行う予定である。
［１］GaAs上のTi/Au薄膜を用いたフォノン共振器構造・フォーカシング共振器構造について検討・試作を続けるとともに、弱結合領域で期待される電子フォノン結合系に関する研究を進める。［２］表面弾性波と量子ホール系の結合により、フォノン輸送に非相反現象の観測を目指す。昨年度の試料では、二次元電子系のアンチドット配列によるフォノン散乱が問題となっていたが、素子構造の工夫によりこの問題点を克服する。従来、交差指電極（IDT）による表面弾性波の反射・干渉を避ける設計をとっていたが、この干渉を積極的に活用した設計とする。本研究で培ったフォノン共振器構造を活かして、量子ホールのエッジチャネルと表面弾性波との結合を増強する。さらに、エッジチャネルの電子系も周期的に配列することで結合を増強する。それと同時に、表面弾性波の散乱によって２つの測定ポート間の信号伝達（迷光）を最小にする素子構造を考案する。これらの手法により、フォノンの非相反性（一方向伝導性）の観測を目指す。［３］表面弾性波と量子ホール系の結合により、表面弾性波周波数で同期された単一電子・単一正孔の輸送実験を行う。量子ホール系では、離散化されたランダウ準位に電子が占有しているため、従来の無磁場の単一電子輸送と異なる特性が期待できる。例えば、量子ホール状態にあるバルクの電子は伝導・遮蔽に寄与しないため、比較的弱い表面弾性波ポテンシャルによって電荷輸送が可能になるなどの特徴が見込まれ、温度上昇を抑えた環境で多彩な実験が可能になると考えられる。
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| Causes of Carryover |
R１年度は、既存の素子を用いた低温測定を中心に研究を進めたこと、理論検討・シミュレーションなどによる研究を進めたことにより、予算に余裕が生じた。特に、表面弾性波共振器・フォーカシング型共振器の設計・製作に技術的課題がある状況から、新しい方向性での研究の立案に時間を要したことによる。R２年度は、量子ホール系と表面弾性波の結合系に関するテーマを２つ進めることで研究を進める予定である。予算については、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、希釈冷凍機の測定系の改良、液体ヘリウム購入の費用に充てることで、研究を遂行する。
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