Exploration of localized spin control in SiC based on electrical spin injection

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K20502
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0402:Nano/micro science, applied condensed matter physics, applied physics and engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Morioka Naoya 京都大学, 化学研究所, 准教授 (90905952)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2024-03-31
• Keywords: スピントロニクス / スピン注入 / 炭化ケイ素 / シリコン空孔 / 核スピン / 磁気共鳴

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aim to control localized spins in silicon carbide (SiC), such as electron spins of point defects or nuclear spins of the matrix material, by means of conduction spins of free electrons. As a fundamental study to realize this goal, we have developed a semiconductor nanofabrication process to realize electrical spin injection devices in SiC and a technique to electrically detect the localized spins in SiC. As a result, we established the elemental technology for device fabrication and succeeded in high-resolution electrical detection of electron spins of silicon vacancy defects and nuclear spins coupled with these defects in SiC at room temperature.

Free Research Field

半導体スピン光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SiC中のシリコン空孔の電子スピンおよび核スピンを電気的に検出できたことで、伝導電子スピンとの相互作用を検出するための実験基盤を構築することができた。また、SiC中のシリコン空孔スピンは高感度に磁場・温度等を計測する量子センサとして注目されており、これらの高分解能検出を電気的に達成できたことは、将来的に量子技術を半導体素子として集積するための極めて重要な技術である。核スピンも量子センサの感度増強や量子メモリとして機能する重要なリソースである。今回達成した核スピンの電気的検出技術は、電子-核スピンの量子もつれを利用した集積量子デバイスの実現につながる重要な成果である。