2020 Fiscal Year Annual Research Report
Terahertz dynamics of single molecule transistors and its application to quantum information processing
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20H05660
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 祥郎 東北大学, 理学研究科, 教授 (20393754)
村田 靖次郎 京都大学, 化学研究所, 教授 (40314273)
濱田 幾太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80419465)
芦原 聡 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | 単一分子トランジスタ / 核スピン / 量子ドット / テラヘルツ電磁波 / 共振器 / ナノギャップ電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、量子ドット、単一分子など極微ナノ構造を活性層に用いた新規トランジスタの研究が注目されている。特に、単一分子は分子機能を応用できるデバイスとして注目されるとともに、分子振動や核スピンなどが新しい量子情報処理の媒体となる可能性も検討されている。このようなナノ構造中の量子準位や分子振動などの素励起のエネルギーは、おおよそテラヘルツ（THz）電磁波の光子エネルギーに対応するため、THz電磁波との相互作用の研究は、ナノ量子構造の物理の解明やその応用に適していると考えられる。特に、ナノギャップ中のTHz電界は大きく増強されるため、極めて強いTHz交流電界と電子系の相互作用という非常に興味深い状況も作り出せることもわかってきた。ちょうど今、THz電磁波と極微ナノ構造の相互作用の研究は新しいフェーズに入ったと言えよう。上記のような背景の下、現在立ち上がりつつある原子スケールの「テラヘルツナノサイエンス」という新しい分野をさらに推進・深化させ、応用への展開可能性を探ることを本研究の目的とする。
本年度は、特に、単一の水分子を内包したフラーレン分子（H2O@C60）を活性層とする単一分子トランジスタを作製することに成功し、C60カゴ分子に内包された水分子の励起スペクトルを、コンダクタンスやTHz励起光電流スペクトル測定より求めることに成功した。さらに、単一水分子のH原子の核スピンの向きの違いによるオルソ水分子、パラ水分子の回転励起を同一スペクトルの中に観測した。単一水分子を測定しているにもかかわらず、オルソ状態とパラ状態の水分子の回転励起を観測したと言うことは、オルソ－パラ状態が時間的に揺らいでいることを意味しており、極めて興味深い情報が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、ナノギャップ電極を用いて単一H2O@C60分子トランジスタを作製し、H2O@C60分子を経由して流れるトンネル電流やTHz電磁波を照射した時の電流変化を測定した。その結果、コンダクタンススペクトルやTHz励起光電流スペクトルに、C60カゴ分子中でH2O分子が振動するモードに加えて、10 meV以下の低エネルギー領域に３つのピークが観測された。それらの低エネルギーピークは、そのエネルギーからパラ水分子とオルソ水分子の回転励起に起因する信号と同定された。単一水分子の信号を測定しているにもかかわらず、オルソ状態とパラ状態の信号が同時に見えたことは、１回の測定時間（数分）よりも短い時間スケールで、水分子を構成する水素原子の核スピンがフリップし、水分子がオルソとパラ状態の間を揺らいでいることを意味している。H2O@C60分子集合でのオルソ－パラ緩和の時定数は１０時間程度と報告されていることから、この高速なオルソ－パラ変換は、電極から注入される伝導電子のスピンとの相互作用によるものを思われる。また水分子の量子回転モードを用いて単一核スピンの情報を読み出せたことは大きな成果である。一方、分子トランジスタの抵抗により１原子のNMRを測定する試みは、現在までの段階では信号が見えていない。
また、分子トランジスタ作製に不可欠な通電断線過程に関して、強磁性体Niなどの高融点金属では電子伝導が拡散的でジュール熱が発生するような領域でも、ジュール熱が支配する通電断線は起こらず、金属種ごとに決まっている表面拡散ポテンシャルで決まる電圧に達しないと通電断線が進行しないことがわかった。この知見は、磁性や超伝導性など様々な性質を持っている金属のナノギャップ電極作製に非常に有益な知見である。
一方、2020年度に導入を予定していた無冷媒He3冷凍機は、COVID-19のために納品が1年程度遅れた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き単一分子トランジスタの量子伝導と分子振動や核スピンの検出と応用に関する研究を継続する。特に、本年度観測に成功したH2O@C60分子におけるパラ／オルソ水分子の量子回転励起についてさらに検討を進める。極低温、無磁場状態では、パラ水分子が基底状態であることが知られているが、強磁場を印加すると核スピンがそろったオルソ状態に基底準位が入れ替わることが予想される。今後は、強磁場を印加しつつ、磁気抵抗やTHz励起光電流測定により、水素原子１個の核スピンの検出に取り組む。
また、本基盤研究Sの開始と同時に、COVIDの蔓延があり、連携研究者をお願いしていたエコールノルマルのRosticher博士とのカーボンナノチューブ（CNT）に関する共同研究が開始できない状況に陥った。そのために、我々の研究室で作製できる半導体ヘテロ構造に微細加工を施して実現できる量子ドットとTHz共振器の実験に計画をシフトして研究を行なう。高移動度半導体ヘテロ構造に超微細加工を行って実現できる量子ドットとスプリットリング共振器（split-ring resonator; SRR)と呼ばれる微小なTHz共振器との超強結合が実現できると、量子ドット内の量子情報を電磁波という形で遠方に伝送することができ、空間的に離れた量子ドット間の相関を実現できる。従来の研究では、電子系と共振器系の結合を強めるために、電子の集団運動（プラズモン）を用いることが報告されている。しかし、多くの電子が量子ドット中に存在する状況では、その量子状態の制御は容易ではない。従って、極少数の電子系でTHz共振器との強結合を実現することが鍵となる。今後、半導体量子ドットの量子情報のTHz伝送の研究にも力を入れていく。
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Research Products
(14 results)
