Control of the quantum spin entanglement with ferromagnetic nanowindow

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02178
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 金井 駿 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (40734546)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子ビット / 固体中のスピン中心 / クラスタ相関展開 / 位相緩和時間 / スピントロニクス / 酸化物 / 量子材料探索

Outline of Annual Research Achievements

色中心スピンのデコヒーレンス時間の母体材料依存性：色中心スピンを構成しうるホスト材料について、大規模クラスタ計算により対象となる材料を絞りこんだ。その結果、酸化物材料において、天然核スピン存在比で位相緩和がミリ秒を超える母体材料が多く発見された。特に、酸化セリウム(47ミリ秒)、酸化カルシウム(34ミリ秒)などが有望な材料であり、これまで主に用いられてきた、ダイヤモンドや炭化シリコンと言った、1ミリ秒前後の位相緩和時間を持つ材料に対して、その10倍以上長い位相緩和時間を有する材料が報告された。
加えて、これらの位相緩和時間予測は、クラスタ相関展開(CCE)計算に基づいた大規模行列計算により得られたが、CCE計算は数分～数日かかる計算として知られていた。単一核スピン種で構成されるスピン浴の位相緩和時間に、その核スピン濃度、ランデg因子、スピン量子数に対するスケーリング則が成立することを明らかにした。更に、電子スピン及び量子数についての一般化スケーリング則を明らかにすることに成功した。これは、コレまで最大数日を要した位相緩和時間計算予測が瞬時に可能になったことを意味し、大規模で定量的な位相緩和時間計算予測が現実的な時間で実行可能となったという、学術的なブレイクスルーとなった。
酸化物色中心における量子状態の制御：母体材料中にイオン注入により色中心元素を打ち込み、熱処理条件依存性から、単一欠陥中心生成条件を詳細に調べた。特に、偏光光学特性から、トンネル接合材料において、イオン注入後の熱処理により、孤立欠陥中心作製条件が明らかになりつつある。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまで、位相緩和時間を計算により予測するため、クラスタ相関展開(CCE)による近似を用いているものの、実直に時間発展ハイゼンベルグ方程式の大規模行列計算により材料の予測を行ってきた。今回、位相緩和時間に対する一般化スケーリング則が発見されたことにより、大規模行列計算に頼ることなく、代数的な位相緩和時間の解を求めることに成功した。これは、1950年代に量子ビットの位相緩和時間計算が初めて提唱され、「実材料における移送緩和時間を求める」という究極目標に対して初めて解を出した。スピン物理一般にインパクトのある成果であり、かつ量子情報研究50年来の課題を解決し、かつ大規模量子材料探索に応用可能であるということ、加えて、特別なコードやツールを用いなくても誰でも量子材料探索が可能になったという点においても、研究計画立案当初に期待していた最終的な成果よりも大きな成果がすでに得られている。今後は、これにより可能となった一層の研究加速により、実験的にこれらを実証する。

Strategy for Future Research Activity

色中心スピンのデコヒーレンス時間の母体材料依存性：上記スケーリング則は三次元材料において求めたものであり、これらを更に二次元材料に拡張することに取り組むことで、新たな量子材料系へ拡大可能なスケーリング則を得ることを目標とする。これにより、更なる大規模量子材料探索を可能とすることを目指す。酸化物色中心における量子状態の制御：昨年度に引き続き、トンネル接合材料において、イオン注入後の熱処理により、孤立欠陥中心を作製する。一般化スケーリング則に基づいた大規模量子材料探索により得られた、有望なスピントロニクス絶縁体材料において、孤立欠陥中心を作製する。特に、共焦点顕微系の構築と、偏光レーザーによる光学検出磁気共鳴測定系の構築を行い、これらの材料における位相緩和時間を明らかにする。特に、大口径の基板が入手可能な材料を用いることにより、電子線描画による高度なリソグラフィ技術を応用する基盤技術を確立する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] シカゴ大学/アルゴンヌ国立研究所(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: シカゴ大学/アルゴンヌ国立研究所
• [Journal Article] Generalized scaling of spin qubit coherence in over 12,000 host materials (2022)
  • Author(s): Kanai Shun, Heremans F. Joseph, Seo Hosung, Wolfowicz Gary, Anderson Christopher P., Sullivan Sean E., Onizhuk Mykyta, Galli Giulia, Awschalom David D., Ohno Hideo
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Pages: e2121808119
  • DOI: 10.1073/pnas.2121808119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Memristive control of mutual spin Hall nano-oscillator synchronization for neuromorphic computing (2021)
  • Author(s): Zahedinejad Mohammad、Fulara Himanshu、Khymyn Roman、Houshang Afshin、Dvornik Mykola、Fukami Shunsuke、Kanai Shun、Ohno Hideo、Akerman Johan
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 21 Pages: 81～87
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01153-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sigmoidal curves of stochastic magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis (2021)
  • Author(s): Kobayashi Keito、Borders William A.、Kanai Shun、Hayakawa Keisuke、Ohno Hideo、Fukami Shunsuke
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 119 Pages: 132406～132406
  • DOI: 10.1063/5.0065919
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Correlation of anomalous Hall effect with structural parameters and magnetic ordering in Mn3+xSn1-x thin films (2021)
  • Author(s): Yoon Ju-Young、Takeuchi Yutaro、DuttaGupta Samik、Yamane Yuta、Kanai Shun、Ieda Jun’ichi、Ohno Hideo、Fukami Shunsuke
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Pages: 065318～065318
  • DOI: 10.1063/5.0043192
  • Open Access
• [Journal Article] Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet by spin-orbit torque (2021)
  • Author(s): Takeuchi Yutaro、Yamane Yuta、Yoon Ju-Young、Itoh Ryuichi、Jinnai Butsurin、Kanai Shun、Ieda Jun’ichi、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 1364～1370
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01005-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Physical Mechanism Governing Sigmoid Curves of Stochastic Magnetic Tunnel Junctions (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, W.A. Borders, S. Kanai, K. Hayakawa, S. Fukami and H. Ohno
  • Organizer: INTERMAG 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superiority of in-Plane Easy-Axis Stochastic Nanomagnet for Shorter Relaxation Time (2021)
  • Author(s): S. Kanai, K. Hayakawa, T. Funatsu, W.A. Borders, J. Igarashi, B. Jinnai, H. Ohno and S. Fukami
  • Organizer: INTERMAG 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Scaling of quantum coherence in solid-state spin defects (2021)
  • Author(s): S. Kanai, F. J. Heremans, H. Seo, G. Wolfowicz, C. P. Anderson, S. E. Sullivan, M. Onizhuk, G. Galli, D. D. Awschalom, and H. Ohno
  • Organizer: 2021 Materials Research Society (MRS) fall meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anomalous Hall Effect of Non-collinear Antiferromagnetic Weyl Semimetal Mn3+xSn1-x Thin Films: Correlation with Crystalline, Magnetic, and Electronic Structures (2021)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, S. DuttaGupta, Y. Yamane, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (EP2DS-24/MSS-20) meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scaling Electron Spin Coherence in Solid-state Spin Defects (2021)
  • Author(s): S. Kanai, F. J. Heremans, H. Seo, G. Wolfowicz, C. P. Anderson, S. E. Sullivan, M. Onizhuk, G. Galli, D. D. Awschalom, and H. Ohno
  • Organizer: 24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (EP2DS-24/MSS-20) meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scaling Spin Coherence in Solid-state Defect Qubit (2021)
  • Author(s): S. Kanai, F. J. Heremans, H. Seo, G. Wolfowicz, C. P. Anderson, S. E. Sullivan, M. Onizhuk, G. Galli, D. D. Awschalom, and H. Ohno
  • Organizer: American Physics Society (APS) March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superparamagnetic Tunnel Junctions with Nanosecond Relaxation Time forProbabilistic Computing (2021)
  • Author(s): S. Kanai, K. Hayakawa, T. Funatsu, J. Igarashi, B. Jinnai, W. A. Borders, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: American Physics Society (APS) March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of spin-orbit torque on non-collinear antiferromagnet Mn3Sn (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamame, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties and Functionalities of Non-Collinear Antiferromagnetic Mn3+x Sn1-x Thin Films (2021)
  • Author(s): J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, R. Itoh, S. DuttaGupta, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physical mechanism governing sigmoid curves of superparamagnetic tunnel junctions (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, W. A. Borders, S. Kanai, K. Hayakawa, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chiral-spin rotation driven by spin-orbit torque in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn (2021)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 1st Online RIEC International Workshop on Spintronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Sputter-deposited epitaxial non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films and spin-orbit torque driven chiral-spin rotation (2021)
  • Author(s): J. Yoon, Y. Takeuchi, Y. Yamane, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: KAIST spintronics group seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Determination of attempt time using stochastic magnetic tunnel junctions (2021)
  • Author(s): K. Hayakawa, S. Kanai, K. Kobayashi, W.A. Borders, J. Igarashi, B. Jinnai, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superparamagnetic tunnel junctions with a synthetic antiferromagnetic free layer (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, K. Hayakawa, W.A. Borders, S. Kanai, J. Igarashi, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet / heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanosecond Stochastic Magnetic Tunnel Junctions for Probabilistic Computing - Experiment and Theory (2021)
  • Author(s): S. Kanai, K. Hayakawa, K. Kobayashi, T. Funatsu, W.A. Borders, J. Igarashi, B. Jinnai, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn by spin-orbit torque (2021)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 15th Joint MMM-INTERMAG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 固体中のスピン中心におけるコヒーレンス時間のスケーリング (2021)
  • Author(s): S. Kanai, F. J. Heremans, H. Seo, G. Wolfowicz, C. P. Anderson, S. E. Sullivan, M. Onizhuk, G. Galli, D. D. Awschalom, and H. Ohno
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Spin-orbit torque induced chiral-spin rotation of non-collinear antiferromagnet (2021)
  • Author(s): Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, R. Itoh, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet / heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Time-averaged response of stochastic magnetic tunnel junctions to field and current (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, W. Borders, S. Kanai, K. Hayakawa, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Attempt time determined in stochastic magnetic tunnel junctions (2021)
  • Author(s): K. Hayakawa, S. Kanai, K. Kobayashi, W. Borders, J. Igarashi, B. Jinnai, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Stochastic magnetic tunnel junctions with a synthetic antiferromagnetic free layer (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, K. Hayakawa, W. Borders, S. Kanai, J. Igarashi, H. Ohno, S. Fukami
  • Organizer: The 82nd Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting 2021
• [Presentation] Anomalous Hall effect and magneto-optical Kerr effect in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films (2021)
  • Author(s): T. Uchimura, Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, K. Kishi, S. Kanai, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Presentation] Spin-orbit torque efficiency in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn /heavy metal heterostructures (2021)
  • Author(s): K. Kishi, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Takechi, B. Jinnai, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Presentation] Time-averaged response of superparamagnetic tunnel junctions to magnetic field and current (2021)
  • Author(s): K. Kobayashi, W.A. Borders, S. Kanai, K. Hayakawa, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Presentation] Optical properties of Y3Al5O12:Ce3+ -annealing and implantation dose density dependence (2021)
  • Author(s): S. Chiba, S. Kanai, J. Ishihara, Y. Abe, K. Hatakeyama, S. Fukami, and H. Ohno
  • Organizer: 40th Electronic Materials Symposium EMS-40
• [Presentation] スピントランスファトルク下に於ける磁気エネルギ障壁の実験的決定 (2021)
  • Author(s): 金井駿
  • Organizer: 令和3年度 東北大学 電気通信研究所 共同プロジェクト研究会 「固体中のスピン・軌道ダイナミクスとその制御」
  • Invited
• [Presentation] Observation of non-collinear antiferromagentic domain structure in epitaxial Mn3Sn thin films (2021)
  • Author(s): T. Uchimura, J.-Y. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yamane, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会