2018 Fiscal Year Annual Research Report
決定論的ドーピング法に基づく量子物性制御とその確率的情報処理・量子計測への応用
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18H03766
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
品田 賢宏 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (30329099)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
大矢 剛嗣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30432066)
河野 行雄 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90334250)
井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718)
清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 決定論的ドーピング法 / 量子物性制御 / 量子物性制御デバイス / 確率的情報処理回路・システム / 量子計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、決定論的ドーピング法の多元化、新たな量子物性の発現と制御、それらが動作を支配するデバイス・回路の創製、確率的情報処理・量子計測の展開を目指している。本年度は、以下の項目に取り組んだ。
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：室温で量子準位系の利用が期待されるドーパント（Ge、Er）、及び窒素-空孔（NV）センターをそれぞれSi、及びダイヤモンド表面に配列形成するプロセスを構築すると共に、以下に示す量子準位系の生成と評価を進めた。(1)Ge-空孔（GeVn）/Si：深い準位を作るGeイオン注入と続く低温熱処理によって生成されるGeVnに対して第一原理計算を行い、ドナー準位を同定した。室温での量子輸送を期待させる結果を得た。(2)Er/Si：2準位系を作るErを注入し、1.5um帯の赤外光照射による光励起電流を計測した。Erの光吸収スペクトルに比例する光励起電流を観測し、赤外領域での光吸収能を見出した。(3)Er-酸素複合体/Si：3次元アトムプローブ法により、単一フォトン源として期待されるEr-Ox複合体の分布を捉えることに成功し、光学的活性との関連性調査を開始した。(4) NVセンター/ダイヤモンド：NVセンターの生成収率を向上させると共に、基板表面の水素核スピンを検出（ナノNMR）できることを見出した。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発：テラヘルツ検出の周波数帯域に応じた最適なアンテナ構造を設計し、デバイスとの結合を行った。
③単一ドーパントデバイスの回路実装：単一ドーパントデバイスの特性・物理現象を解析し、既に単電子デバイス用に開発済みのシミュレーターの単ドーパント系への拡張を進めた。これを基に、想定される単ドーパントデバイスの回路構成を検討し、具体的なシミュレーションとその動作検証を行い、その有用性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
決定論的ドーピング法における注入可能な元素の拡充、及びドーパントが作る量子準位系の作製と評価が順調に進んでいる。これらの知見が、単一ドーパントデバイス上に構成される回路用のシミュレーター開発にフィードバックされ、革新的な情報処理を創出すべく、同デバイス固有の特性が柔軟に導入可能なシミュレーターへと拡張が図られている。加えて、NVセンター/ダイヤモンド系において、生成したNVセンターのほぼ全てを用い、水素核スピンが検出され、タンパク質等比較的大きな分子が少数個存在する系、及び水分子等比較的小さな分子に対して、言わばナノNMRの可能性が示されるなど新たな量子計測の展開が生まれている。
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| Strategy for Future Research Activity |
①決定論的ドーピング法の多元化と量子機能の発現：(1)Ge-空孔（GeVn）/Si：GeVnの1次元量子ドット配列系に拡張した計算に着手する。これにより、１次元量子ドット配列中の量子ランダムウォーク等の電子輸送機構の計算と実験による検証を進める。(2)Er/Si：Er注入領域面積および注入個数を低減することにより、単一不純物原子による光励起電流の計測および単一光子放出を目指す。(3)Er-酸素複合体/Si：Er-酸素の複合体の量とフォトルミネッセンス発光強度の関連について、より定量的な解析を実施する。これにより、ドーパント分布-発光分布の相関を得る一連の実験体系を構築し、Erのみならず、本課題の狙いであるSi及びダイヤモンド表面上に導入した他のドーパント種へも適用し、量子ドットとして機能する個々のドーパントを自在に配置するプロセスの開発を目指す。(4) NVセンター/ダイヤモンド：タンパク質等比較的大きな分子が少数個だけあれば、それを検出できる系に拡張すること、及び水分子等比較的小さな分子のNMRが実行できるようにする。
②単一ドーパント量子ドットを用いたTHz波検出器の開発と量子コヒーレント制御：テラヘルツ応答の検出周波数帯域、検出感度の両面から最適なドーパント分布やチャネル形状の設計に目処を付け、単一ドーパントに基づく量子ドットを用いたTHz波検出器の開発に着手する。
③単一ドーパント量子物性制御デバイスの回路実装：世界初となる単ドーパントデバイス用の回路シミュレーターの完成を目指す。具体的には、単一ドーパントデバイスならではの特性・物理現象を抽出し、理論化を進めると共に、シミュレーターの拡張を図っていく。
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[Presentation] ダイヤモンド中単一NVセンターのパルス光磁気共鳴測定のためのローエンドFPGAへのフォトンカウンタの実装2019
Author(s)
永岡 希朗, 畑 雄貴, 川勝 一斗, 石井 邑, 福田 諒介, 寺地 徳之, 小野田 忍, 大島 武, 品田 高宏, 川原田 洋, 磯谷 順一，谷井 孝至
Organizer
2019年第66回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] Controlled Creation of Erbium-Oxygen Centers in Silicon by Deterministic Ion Implantation for Room-Temperature Photoluminescence at Telecom Wavelength2018
Author(s)
T. Tanii, Y. Suzuki, K. Gi, M. Celebrano, L. Ghirardini, P. Biagioni, M. Finazzi, Y. Shimizu, Y. Tu, K. Inoue, Y. Nagai, E. Prati, T. Shinada
Organizer
22nd International Conference on Ion Implantation Technology
Int'l Joint Research
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[Presentation] Lithographically Engineered Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond for External Nuclear Spin Sensing2018
Author(s)
R Fukuda, P Balasubramanian, I Higashimata, Y Ishii, K Nagaoka, S Kawai, T Sonoda, T Teraji, S Onoda, M Haruyama, K Yamada, M Inaba, H Yamano, F Stuerner, S Schmitt, L P McGuiness, F Jelezko, T Ohshima, T Shinada, H Kawarada, W Kada, O Hanaizumi, J Isoya, T Tanii
Organizer
14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
Int'l Joint Research
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