Development of spin-valley quantum devices based on graphene heterostructures

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15385
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: IWASAKI Takuya 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (50814274)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: グラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / モアレ超格子 / 量子ドット / 量子ホール効果 / 単一電子輸送 / 量子輸送

Outline of Final Research Achievements

We aimed to develop graphene heterostructure-based devices that control the spin and valley degrees of freedom. First, we developed a bubble-free transfer technique that allows producing high-quality heterostructures with a high yield. By this technique, graphene/hexagonal boron nitride (hBN) heterostructure and moire superlattice were fabricated, and the high quality bilayer graphene device was realized. We also fabricated the double-quantum dot device using the moire superlattice structure and observed the single-carrier transport and quantum Hall effect in the moire superlattice. Furthermore, we fabricated the twisted bilayer/bilayer graphene/hBN device and observed an insulating state due to a strong correlation.

Free Research Field

ナノ構造物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発したバブルフリー転写法は、遷移金属ダイカルコゲナイド等様々な層状物質に応用可能であるため、二次元物質研究分野の更なる発展に貢献する重要な成果である。また、モアレ超格子二重量子ドット素子の実現はこれまで困難であった磁場中のモアレ超格子量子ドット特有の単電子輸送特性の解析が可能とし、電子一個を制御する究極の低消費電力・量子情報処理技術の発展に繋がる重要な成果である。ツイスト構造に関する結果は、「折り畳んでツイスト構造を作る」という新しい設計指針を与え、急速に発達している当該分野において、高品質素子作製工程のブレークスルーとなる可能性があり、将来のデバイス応用の基礎となる成果である。