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2008 Fiscal Year Annual Research Report

量子ナノ構造系のテラヘルツダイナミクスの解明と制御に関する研究

Research Project

Project/Area Number 18201027
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

平川 一彦  The University of Tokyo, 生産技術研究所, 教授 (10183097)

Keywordsテラヘルツ電磁波 / 半導体超格子 / ブロッホ振動 / 分子素子 / 量子ドット
Research Abstract

本研究では、量子ナノ構造においてサブピコ秒の時間スケールで高速に運動する電子が放出・吸収するTHz電磁波を検出・解析することにより、電子の実時間領域における運動に関する情報を得ることを目的としている。平成20年度には、以下の3点について研究を遂行した。
1. 量子構造の構造パラメータとテラヘルツ利得スペクトルの関係の解明 超格子構造におけるブロッホ振動の説明には、半古典的なミニバンドの描像とシュタルク梯子状態の2つが適宜用いられてきた。今回、フェムト秒レーザパルスで励起された電子波束の振動位相について詳細な検討を行い、従来のミニバンド描像から予想される位相とは90度シフトしたものであることが明らかになった。この振動位相は、並進対称性を持ったシュタルク梯子状態を仮定しなければ説明できず、バンド内の電子の伝導に関する基本的な知見を得ることに成功した。 さらに、ブロッホ発振器の実現に向けて、超格子の表面に金属フォトニック結晶構造電極を作製し、ブロッホ振動によるテラヘルツ放射の波形とスペクトルを解析し、ブロッホ周波数がフォトニック結晶のブリルアンゾーン端の周波数に近づくと特異な振る舞いが観測されることがわかった。現在、その解明を行っている。
2. バルク半導体中の過渡伝導と谷間遷移利得 GaAsなどの化合物半導体中では、低電界では電子は有効質量の小さいΓ谷に存在するが、印加電界が高くなるとより有効質量の大きなΞ谷、Λ谷に遷移し、それにより微分負性抵抗(ガン効果)が発生することが知られている。本研究では、時間分解テラヘルツ分光法を用いることにより、加速される電子の有効質量が電界印加とともに、バンド間混合の効果により重くなること、また、谷間遷移によるテラヘルツ利得の帯域がフォノン放出時間で制限されていることを明らかにした。
3. 単一InAs量子ドットトランジスタにおける電気伝導特性の解明 単一のInAs量子ドットの上から、金属や強磁性体、超伝導体で作製した極微細ギャップ電極を形成し、電子スピンや超伝導クーパー対に依存した新奇な電気伝導現象を観測した。量子ドットの成長温度の最適化を行うことにより、テラヘルツ応答を観測しやすいトンネル抵抗に調節することに成功した。また、テラヘルツ電磁波の照射実験を行ったところ、クーロン振動に系統的なシフトが観測されたが、その起源などは現在検討中である。
4. 単一分子素子の作製の最適化 通電断線法により単一分子レベルの極微細ギャップを有する電極を作製している。特に、エレクトロマイグレーションと呼ばれる金属の断線現象が、電子1個から原子1個への運動エネルギーの移動により誘起されていることを見いだした。

  • Research Products

    (27 results)

All 2009 2008

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (19 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Non-thermal origin of electromigration at gold nanojunctions in the ballistic regime2009

    • Author(s)
      A. Umeno and K. Hirakawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 94

      Pages: 162103-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Non-equilibrium Green's function calculation for four-level scheme terahertz quantum cascade lasers2009

    • Author(s)
      H. Yasuda, T. Kubis, P. Vogl, N. Sekine, I. Hosako, and K. Hirakawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 94

      Pages: 151109-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Kondo effect observed up to TK〜80K in self-assembled InAs quantum dots laterally coupled to nanogap electrodes2009

    • Author(s)
      K. Shibata, K. Hirakawa
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth vol. 311, Issue. 7,

      Pages: 1795-1798

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of In-Ga intermixing on the electronic states in self-assembled InAs quantum dots probed by nanogap electrodes2009

    • Author(s)
      K. Shibata, M. Jung, K. M. Cha, M. Stome, and K. Hirakawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 94

      Pages: 162107-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Power dissipation spectra and terahertz intervalley transfer gain in bulk GaAs under high electric fields2008

    • Author(s)
      Y. M. Zhu, T. Unuma, K. Shibata, K. Hirakawa, Y. Ino and M. Kuwata-Gonokami
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 93

      Pages: 232102-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Femtosecond acceleration of electrons under high electrric fields in bulk GaAs investigated by time-domain terahertz spectroscopy2008

    • Author(s)
      Y. M. Zhu, T. Unuma, K. Shibata, and K. Hirakawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 93

      Pages: 042116-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High kondo temperature (TK〜80K)in self-assembled InAs quantum dots laterally coupled to nanogap electrodes2008

    • Author(s)
      K. Shibata, K. Hirakawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters vol. 93

      Pages: 062101-1-3

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] テラヘルツ微小共振器と強く結合した半導体超格子のブロッホ振動2009

    • Author(s)
      井原章之、酒瀬川洋平、平川一彦
    • Organizer
      第56回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      筑波大学、茨城
    • Year and Date
      20090330-0402
  • [Presentation] フォトニック結晶共振器と結合した半導体超格子中のプロツホ振動2009

    • Author(s)
      酒瀬川洋平、井原章之、平川一彦
    • Organizer
      第56回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      筑波大学、茨城
    • Year and Date
      20090330-0402
  • [Presentation] フィードバック制御通電断線法を用いたNiナノ細線破断メカニズムの解明2009

    • Author(s)
      吉田健治、梅野顕憲、坂田修一、平川一彦
    • Organizer
      第56回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      筑波大学、茨城
    • Year and Date
      20090330-0402
  • [Presentation] 非平衡グリーン関数法を用いたテラヘルツ帯量子カスケードレーザの解析2009

    • Author(s)
      安田浩朗, T. Kubis, P. Vogl, 賓迫巌, 平川一彦
    • Organizer
      第56回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      筑波大学、茨城
    • Year and Date
      20090330-0402
  • [Presentation] ナノギャップ電極と結合した単一自己組織化InAs量子ドットの電子状態の成長温度依存性2009

    • Author(s)
      柴田憲治、M. Jung、K. M. Cha、関享太、平川一彦
    • Organizer
      第56回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      筑波大学、茨城
    • Year and Date
      20090330-0402
  • [Presentation] Very high Kondo temperature (TK 80K) in single self-assembled InAs quantum dots coupled to metallic nanogap electrodes2009

    • Author(s)
      K. Shibata, K. Hirakawa
    • Organizer
      APS Physics, March Meeting
    • Place of Presentation
      Pittsburgh, PA, USA
    • Year and Date
      20090316-20
  • [Presentation] Elementary process of electromigration investigated by novel spectroscopic approach to electrical break junction2009

    • Author(s)
      A. Umeno, K. Hirakawa
    • Organizer
      APS Physics, March Meeting
    • Place of Presentation
      Pittsburgh, PA, USA
    • Year and Date
      20090316-20
  • [Presentation] Dispersive terahertsz Bloch gain in semiconductor superlattices (invited)2009

    • Author(s)
      K. Hirakawa, T. Ihara, Y. Sakasegawa, T. Unuma, and N. Sekine
    • Organizer
      International meeting on frontiers of physics 2009 (IMFP2009)
    • Place of Presentation
      AwanaGenting Highlands,Malaysia
    • Year and Date
      20090112-16
  • [Presentation] バルク半導体・超構造・電子デバイスの超高周波評価技術(招待講演)2009

    • Author(s)
      平川一彦
    • Organizer
      特別ワークショップ、電子デバイス研究専門委員会
    • Place of Presentation
      首都大学東京サテライトキャンパス、東京
    • Year and Date
      2009-03-06
  • [Presentation] Nanoscale patterning of graphene using AFM local anodic oxidation2008

    • Author(s)
      K. Yoshida, S. Masubuchi, M. Ono, K. Hirakawa, and T. Machida
    • Organizer
      International Symposium on Graphene Devices: Technology Physics, and Modeling (ISGD2008)
    • Place of Presentation
      University of Aizu, Aizu-Wakamatsu, Japan
    • Year and Date
      20081117-19
  • [Presentation] Very high Kondo temperature (TK〜80K) in self-assembled InAs quantum dots laterally coupled to nanogap electrodes2008

    • Author(s)
      K. Shibata, K. Hirakawa
    • Organizer
      IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference 2008 (NMDC 2008)
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20081020-22
  • [Presentation] Bias-induced formation of conductive channels across metallic nanogap electrodes2008

    • Author(s)
      A. Umeno, A. Yoshida, and K. Hirakawa
    • Organizer
      IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference 2008 (NMDC 2008)
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      20081020-22
  • [Presentation] Dispersive terahertz Bloch gain in semiconductor superlattices2008

    • Author(s)
      K. Hirakawa, T. Unuma, and N. Sekine
    • Organizer
      GDR-E2008 THz Workshop
    • Place of Presentation
      Paris, France
    • Year and Date
      20080925-26
  • [Presentation] GaAs/AlAs超格子におけるTHz放射電場波形の時間原点とブロッホ振動の位相II2008

    • Author(s)
      鵜沼毅也、平川一彦、井野雄介、五神真
    • Organizer
      日本物理学会2008年秋季大会
    • Place of Presentation
      岩手大学上田キャンパス、岩手
    • Year and Date
      20080920-23
  • [Presentation] フィードバック制御通電断線法を用いた原子スケール空隙を有する強磁性電極の作製2008

    • Author(s)
      吉田健治、梅野顕憲、坂田修一、平川一彦
    • Organizer
      秋季第69回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      中部大学、愛知
    • Year and Date
      20080902-05
  • [Presentation] The Kondo effect observed up to TK〜80K in self-assembled InAs quantum dots laterally coupled to nanogap electrodes2008

    • Author(s)
      K. Shibata, K. Hirakawa
    • Organizer
      15th International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE2008)
    • Place of Presentation
      The University of British Columbia, Vancouver, Canada,
    • Year and Date
      20080803-08
  • [Presentation] Negative differential conductivities and terahertz gain in bulk semiconductors and superlattices (invited)2008

    • Author(s)
      K. Hirakawa, T. Unuma, Y. M. Zhu, N. Sekine
    • Organizer
      Device Research Conference (DRC2008)
    • Place of Presentation
      Santa Barbara, CA, USA
    • Year and Date
      20080623-25
  • [Presentation] Physics and applications of InAs quantum dots coupled to nanogap leads (invited)2008

    • Author(s)
      K. Hirakawa,
    • Organizer
      9TH International Workshop on Expert Evaluation & Control of Compound Semiconductor Materials & Technologies (EXMATEC 2008)
    • Place of Presentation
      Lodz, Porland
    • Year and Date
      20080601-04
  • [Presentation] 非平衡グリーン関数法を用いた4準位系量子カスケードレーザの解析2008

    • Author(s)
      安田浩朗、Tillmann Kubis、Peter Vogl、関根徳彦、神谷武志、平川一彦、賓迫巌
    • Organizer
      東北大学電気通信研究所共同研究プロジェクト: 「量子カスケードレーザの高性能化と応用に関する研究」
    • Place of Presentation
      東北大学、仙台、宮城
    • Year and Date
      2008-11-18
  • [Book] 量子ナノ構造とテラヘルツ光デバイス(6.7)2008

    • Author(s)
      平川一彦
    • Total Pages
      18
    • Publisher
      日本学術振興会 光電相互変換第125委員全編「発光と受光の物理と応用」(分担執筆)、培風館

URL: 

Published: 2010-06-11   Modified: 2016-04-21  

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