Development of very-low-temperature pulsed-magnetic-resonance measurement technique and its application to quantum computer models using lightly-doped semiconductors

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21KK0047
• Research Institution: University of Fukui
• Principal Investigator: 藤井 裕 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 教授 (70360633) ; 石川 裕也 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 助教 (80825282)
• Project Period (FY): 2021-10-07 – 2026-03-31
• Keywords: パルス電子スピン共鳴 / 極小共振器 / ミリ波 / 核磁気共鳴 / 二重磁気共鳴 / 希薄ドープ半導体

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、フィンランドとの国際共同研究により、極小の共振器(μR)を開発することで、これまで困難であった超低温かつ強磁場での高周波パルス磁気共鳴法の技術開発を行うとともに、開発した装置を用いて、希薄にリンをドープした純良なシリコン半導体(Si:P)を用いた量子計算に必要とされる超低温・強磁場下でのスピン状態の観測と制御を目指すものである。ミリ波帯μRによるパルス磁気共鳴法は、物性物理学や量子情報分野で有用な技術であるのみならず、極微量試料の評価を必要とする化学、ライフサイエンス等、さらには、単一スピンの検出にまで適用できる将来性がある。
前年度までに、先方の状況の変化にともない、先方の装置のうち特にESR信号を高感度に検出するためにキーとなる極低温で動作するミリ波ブリッジ回路を譲り受けて、日本の装置に組み込むこととし、必要物品を日本へ輸送した。これを用いてフィンランドの共同研究者とともに、日本で必要物品の購入と高感度ESR測定装置のセットアップ作業を行った。必要に応じてオンラインでの打ち合わせを行いつつ作業を進めた。ほぼすべての導波管を入れ替える必要が生じており作業に時間を要している。日本側では、並行して、電磁場解析シミュレーションによるμR共振器デザインの検討を開始し、低周波用共振器の作成に成功した。あわせて、パルスESR装置のための半導体を用いた短パルス生成についての技術開発も行い、二重のシリコン板を用いた干渉効果を用いることでこれまでの課題であった入射角度の制限を緩和することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

海外共同研究者とのコミュニケーションを密にはかり、本課題に関する議論や共振器開発が進められている。ただし、海外共同研究先でμR開発に従事していた研究者が2022年に企業に就職し、不在となったため、開発に必要な人的物的配置を見直す必要が生じた。そこで、主な測定装置を日本側で構築することとし、実際にセットアップを行った。このセットアップのためには希釈冷凍機のサイズの違いにより、様々な素子の配置などをすべて一からデザインし直す必要があったが、海外共同研究者との精力的な共同作業により、概ね目処が付いた。また、フィンランドへ研究分担者とともに渡航した際には、必要なノウハウの議論や今後の方針などを密に議論することが出来た。2023年度は、若手研究者がフィンランドに1ヶ月以上渡航して研究活動を行い、若手育成を図るとともに、研究を加速させた。日本側ではさらにフィンランドで試作されたμRのテストなどの準備とともに電場解析ソフト（COMSOL）によるシミュレーション等を行い、低周波用μRの作製に成功した。

Strategy for Future Research Activity

高周波用μRの開発研究および試料や導波管と共振器の結合方法の検討などを行う。また、日本側では高感度ESR測定装置のセットアップを完了し、試験を行う。あわせて、日本でも共振器を作製して開発を加速させる。必要に応じて外部機関の精密加工装置を利用することを検討する。なお、ロシア問題によりフィンランドへの渡航が危惧されるような場合には、さらに人的・装置的リソースの再編を検討する。

Causes of Carryover

希釈冷凍機ミリ波磁気共鳴装置を日本側で構築することとなり、これまでの導波管等のシステムをすべて取り払って構築し直す作業が必要となり、時間を要している。このためヘリウムを用いた実験を次年度に繰り越した。また、旅費使用についてもロシアとの関係からフィンランド渡航について慎重に判断している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] トゥルク大学(フィンランド)
  • Country Name: FINLAND
  • Counterpart Institution: トゥルク大学
• [Journal Article] Multifrequency Electron Spin Resonance Using a High-Power Light Source Compact Gyrotron and Force-Detection System (2023)
  • Author(s): Ishikawa Yuya、Takahashi Hideyuki、Okutani Akira、Hayashi Kanata、Sano Tomonori、Hirozawa Kouhei、Ito Takero、Masuda Shota、Ohmichi Eiji、Ohta Hitoshi、Tatematsu Yoshinori、Asano Takayuki、Kikuchi Hikomitsu、Fujii Yutaka、Mitsudo Seitaro
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 38 Pages: 011192(6 pages)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011192
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ¹⁹F-NMR Study of Spin-1/2 Antiferromagnetic Chain D-F₅PNN with a Single Crystal Crossing Critical Field Region (2023)
  • Author(s): Fujii Yutaka、Takahashi Yusuke、Maruyama Kaoru、Nakagawa Kohei、Ishikawa Yuya、Izumi Konami、Sakai Naoko、Taguma Kunio
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 38 Pages: 011127(7 pages)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011147
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ESR study of Ca₂Cu(OH)₄[B(OH)₄]₂, a Low-dimensional Antiferromagnet with <i>S</i> = 1/2 (2023)
  • Author(s): Hayashi Kanata、Ishikawa Yuya、Asano Takayuki、Yamamoto Hajime、Kimura Hiroyuki、Sakakura Terutoshi、Noda Yukio、Fujii Yutaka、Mitsudo Seitaro
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 38 Pages: 011144(6 pages)
  • DOI: 10.7566/JPSCP.38.011144
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 逸見石の磁気共鳴 (2024)
  • Author(s): 林哉汰、倉知豊、石川裕也、古谷峻介、浅野貴行、光藤誠太郎、菊池彦光、山本孟、高橋英幸、大道英二、大久保晋、太田仁、藤井裕
  • Organizer: 第19回量子スピン系研究会
• [Presentation] ダブルディスク光駆動半導体スイッチを用いたPulsed-ESRのための高出力ミリ波のナノ秒パルス成形 (2024)
  • Author(s): 光藤誠太郎, 高橋雅人, 片山大和, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 抵抗検出型ESR測定のためのSi:P試 料の輸送特性評価II (2024)
  • Author(s): 大橋央宜, 伊藤颯人, 倉知豊, 林哉汰, 石川裕也, 藤井裕, 福田昭, 森正芳, 大岩顕
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Multi-frequency electron spin resonance apparatus using a high-power light source compact gyrotron (2023)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Hideyuki Takahashi, Kohei Hirozawa, Yutaka Fujii, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta, Seitaro Mitsudo, Takero Ito, Takayuki Asano
  • Organizer: 41st Samahang Pisika ng Pilipinas (SPP) Physics Conference and Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ESR and NMR studies of S = 1/2 low-dimensional antiferromagnet Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2 (2023)
  • Author(s): Kanata Hayashi, Yutaka Kurachi, Yuya Ishikawa, Shunsuke C. Furuya, Takayuki Asano, Seitaro Mitsudo, Hikomitsu Kikuchi, Hajime Yamamoto, Hideyuki Takahashi, Eiji Ohmichi, Susumu Okubo, Hitoshi Ohta, Yutaka Fujii
  • Organizer: International Society of Magnetic Resonance 2023 (ISMAR2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジャイロトロンを用いたパルスESR装置のための新しい光スイッチの特性評価 (2023)
  • Author(s): 高橋雅人, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 極低温・高周波領域における円筒型共振器を用いたENDOR測定の試み (2023)
  • Author(s): 廣澤康平, 石川裕也, 林哉汰, 倉知豊, 菊池彦光, 光藤誠太郎, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 抵抗検出型ESR測定のためのSi:P試料の輸送特性評価 (2023)
  • Author(s): 大橋央宜, 倉知豊, 林哉汰, 石川裕也, 藤井裕, 福田昭, 大岩顕, Xiao-Fei Liu, Gulak Maia Gabriel
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 五角形と三角形から構成される格子上のフラストレート磁性体ルドジバイト(Cu5(PO4)2(OH)4)の磁性 (2023)
  • Author(s): 菊池彦光, 藤井裕, 小島駿平, 松尾晶, 金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 一次元系反強磁性体henmiliteにおけるESR局在モードの観測 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] 一次元系反強磁性体 Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2 における ESR 局在モードの観測 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 第一回東西日本強磁場科学研究会（第十回西日本強磁場科学研究会）
• [Presentation] ジャイロトロンを用いた Pulsed-ESR 装置のための新しい光駆動半導体スイッチの特性評価 (2023)
  • Author(s): 高橋雅人, 片山大和, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行, 光藤誠太郎
  • Organizer: 第一回東西日本強磁場科学研究会（第十回西日本強磁場科学研究会）
• [Presentation] Si:P 試料の抵抗検出型 ESR および従来型 ESR の同時測定の試み (2023)
  • Author(s): 大橋央宣, 倉知豊, 林哉汰, 石川裕也, 藤井裕, 福田昭, 大岩顕, Xiao-Fei Liu, Gulak Maia Gabriel
  • Organizer: 第一回東西日本強磁場科学研究会（第十回西日本強磁場科学研究会）
• [Presentation] 極低温・高磁場下における二重磁気共鳴用円筒型共振器を用いた ENDOR 測定の試み (2023)
  • Author(s): 廣澤康平, 石川裕也, 林哉汰, 倉知豊, 菊池彦光, 光藤誠太郎, 藤井裕
  • Organizer: 第一回東西日本強磁場科学研究会（第十回西日本強磁場科学研究会）
• [Presentation] Development of cryogenic and high-frequency magnetic resonance apparatus (2023)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Hideyuki Takahashi Akira Fukuda, Kohei Hirozawa, Takero Ito, Seitaro Mitsudo, Takayuki Asano, Hikomitsu Kikuchi, Yoshinori Tatematsu, Sergey Vasiliev, Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta, Yutaka Fujii
  • Organizer: International Conference on Sustainable Development of Coastal Area Resources Based on Local Wisdom
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極低温ESR/NMR測定法の開発と応用 (2023)
  • Author(s): 藤井 裕，石川裕也，光藤誠太郎，福田昭，S. Vasiliev
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] Pulsed-ESR装置のための高出力ミリ波用ダブルディスク光駆動半導体スイッチの開発 (2023)
  • Author(s): 光藤誠太郎, 高橋雅人, 片山大和, 西尾英道, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] 電気的検出型ESR測定のための希薄リンドープシリコンの輸送特性評価 (2023)
  • Author(s): 大橋央宜, 倉知豊, 林哉汰, 石川裕也, 藤井裕, 福田昭, 大岩顕, Xiao-Fei Liu, Gulak Maia Gabriel
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] ESR/NMR共用円筒型共振器を用いた極低温・高磁場領域におけるENDOR測定の試み (2023)
  • Author(s): 廣澤康平, 石川裕也, 林哉汰, 倉知豊, 菊池彦光, 光藤誠太郎, 藤井裕
  • Organizer: 第62回電子スピンサイエンス学会年会（SEST2023）
• [Presentation] 超低温高周波磁気共鳴装置の開発と応用 (2023)
  • Author(s): 藤井裕, 石川裕也, 林哉汰, 大橋央宜, 倉知豊, 廣澤康平, 光藤誠太郎, 福田昭, 大岩顕, Xiao-Fei Liu, Gulak Maia Gabriel, Sergey Vasiliev
  • Organizer: 日本赤外線学会 第32回研究発表会
• [Presentation] 二本足梯子格子Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2におけるESR局在モードの観測の可能性 (2023)
  • Author(s): 林哉汰, 倉知豊, 石川裕也, 古谷峻介, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 菊池彦光, 山本孟, 高橋英幸, 大道英二, 大久保晋, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 日本赤外線学会 第32回研究発表会
• [Presentation] 2層Si板による反射防止構造を用いたミリ波短パルス成形装置の検討 (2023)
  • Author(s): 高橋雅人, 片山大和, 西尾英通, 石川裕也, 藤井裕, 菊池彦光, 浅野貴行, 光藤誠太郎
  • Organizer: 日本赤外線学会 第32回研究発表会
• [Presentation] 低次元磁性体を対象とした極低温・高周波磁気共鳴装置の開発 (2023)
  • Author(s): 石川裕也, 林哉汰, 高橋英幸, 山本孟, 福田昭, 古谷峻介, 廣澤康平, 伊藤丈朗, 光藤誠太郎, 浅野貴行, 菊池彦光, 立松芳典, Sergey Vasiliev, 大道英二, 太田仁, 藤井裕
  • Organizer: 第33回日本MRS-J年次大会
• [Presentation] 電気的検出型電子スピン共鳴測定のための希薄リンドープシリコンの輸送特性測定 (2023)
  • Author(s): 伊藤 颯人, 大橋 央宜, 倉知 豊, 林 哉汰, 石川 裕也, 藤井 裕, 福田 昭, 大岩 顕, Xiao-Fei Liu, Gulak Maia Gabriel
  • Organizer: 2023年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Remarks] 福井大学遠赤外領域開発研究センター
  • URL: https://dinosaur.fir.u-fukui.ac.jp
• [Remarks] 福井大学研究者総覧
  • URL: https://r-info.ad.u-fukui.ac.jp/Profiles/30/0002989/profile.html