2015 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring the novel quantum electronic physics in solid state using spatial control of paired quantum states
Project/Area Number |
26220710
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Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
樽茶 清悟 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40302799)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 倫久 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (00376493)
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
松尾 貞茂 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90743980)
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Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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Keywords | 3スピン量子ビット / 高速ラビ振動 / 集団緩和抑制 / 電子対分離 / 超伝導-ナノ細線接合 / もつれ光子対 / 量子状態変換 |
Outline of Annual Research Achievements |
(1)3重量子ドットに関して高速測定の導入により量子もつれの集団位相緩和を一桁上改善できること、3電子の励起状態を利用して遠隔もつれ状態が制御できることを示した。4重量子ドットではスピン閉塞状態の制御、4スピンのコヒーレント回転を実現した。いずれも世界初の成果。加えて、磁石法によるスピン操作の精度向上、量子ホール状態を利用した新スピン選別、スピン閉塞を利用した核スピン偏極操作を提案、実証した。 (2)表面弾性波で動く量子ドット中の2電子を分離する実験において分離効率を正確に求めるための電流雑音測定を検討した。また、単一電子の伝送中にスピンが保存することを実験実証した。 弾道領域にある長いグラフェンのジョセフソン接合における臨界電流の振る舞いを実験的に解明した。また、同接合において、量子ホール状態を介した超伝導流を初めて観測した。これはクーパー対がグラフェンの両端を分離して流れることを意味する。 (3)トポロジカル絶縁体HgTeのジョセフソン接合によるマヨラナ実験を開始し、奇数番のシャピロステップが消失するという、マヨラナ状態の観測に成功した。高品質InAs量子井戸で作った細線で無磁場の半整数量子化伝導度プラトー、ゼーマン分裂を観測した。並列二重細線(自己形成)の作製技術を開発し、細線中の2重ドットの存在を確認した。また、InSb量子井戸の実験を開始し、安定な量子ポイントコンタクトの作製方法を確立した。 (4)GaAs量子ドットで光学スピン閉塞効果を観測し、光電子のコヒーレント生成を初めて確認した。さらに、もつれ光子対の片側で生成した電子と残りの光子の同時検出に成功した。また、重い正孔からの高効率量子状態転写のため、(110)GaAs量子井戸基板を作製して時間分解磁気光学効果と量子輸送の測定を開始し、また、並列InAs自己形成ドット接合では光生成単一検出のための電荷検出を実現した。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1)年度計画を全て達成し、それ以上に高速測定によるもつれ状態の集団位相緩和の予想を上回る大幅な改善、4重ドットでは、予定のスピンブロッケードを終えて、次年度計画である4スピン共鳴を達成、さらに新スピン選別法の提案と実証、新核スピン制御法の提案など、本課題の達成に向けて計画以上、計画外の成果を得た。 (2)単一電子スピンの伝送によって、単一電子スピントロニクスへの道が拓けてきた。 グラフェン-超伝導接合では、ジョセフソン接合の支配的なエネルギースケールに応じた臨界電流の振る舞いや量子ホール状態を介した超伝導流を初めて観測した。これらはいずれも超伝導デバイスの基本に関わり、今後の同分野における研究の道標となる重要な成果である。 (3)マヨラナ粒子に関しては世界的に実証実験が続いている。新たに始めたトポロジカル絶縁体HgTeの交流ジョセフソン効果の実験でマヨラナ粒子の新しい痕跡をとらえた。予想以上の成果である。InAs細線では、マヨラナ粒子観測の鍵とされる高品質化を達成した。同細線を用いて無磁場での半整数プラトーを観測した。これは長年の懸案である発現機構の解明に迫る重要な結果である。また、並列二重ナノ細線の評価はパラフェルミオン実験に重要なデータを提供している。InSb量子井戸基板の開発には予定より時間がかかったが、量子ポイントコンタクトの作製法はすでに確立できた。 (4)光子偏光から量子ドット中の電子スピンへの量子状態転写の実証に、光学スピン閉塞効果の観測という手法で成功した。これにより量子中継器に必要な3要素の一つを検証した。また、もつれ光子対から生成した電子と光子の同時検出は、スピンと光子偏光に角運動量相関を転写できることを示唆しており、今後のもつれ相関の転写、技術応用に極めて重要な結果である。加えて正孔からの量子状態転写の実証実験や量子ドット作製のための技術開発は計画にそって進んでいる。
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Strategy for Future Research Activity |
(1)27年度の成果を基に、さらなる多ビット化(4,5ビット化)の技術開発、3ビットによる論理ゲート実証とゲート操作忠実度の改善、多スピンもつれ制御、デコヒーレンス問題の本質的解消を可能にするシリコン材料への技術移植など、当初計画を上回る高いレベルでの課題達成に向けて研究を加速する。 (2)電子対分離に加えて、単一電子のスピンを伝送できることが確認できたので、これを用いた量子もつれの検証実験へと進む。グラフェン-超伝導接合の実験では、クーパー対分離の効率を高める実験に引き続き取り組む。その過程では、ホール効果(量子ホール効果、バレーホール効果)を利用したクーパー対分離も検討する。 (3)HgTeの実験を継続し、シャピロ実験の対となる、放出雑音電流測定によるマヨラナ粒子観測を目指す。超伝導-ナノ細線接合に関して、高品質量子井戸と超伝導体の接合品質を改善し、超伝導接合でのアンドレーエフ反射の観測を目指す。また、自己形成ナノ細線では、並列二重ナノ細線と超伝導体との接合デバイスを作製し、それぞれのナノ細線へのクーパー対分離現象の観測を行う。さらに、より高品質な超伝導半導体接合の実現のため、エピタキシャル成長された超伝導体半導体基板の微細加工技術を確立する。また、InSb量子井戸基板を用いで量子ポイントコンタクトを作製し、1次元伝導の観測を目指す。 (4)光子電子変換は、本年度得た光子電子の同時検出結果の解析を行い、光子電子の対生成の効率を評価する。さらに、微細加工技術を改良し、光子電子変換効率が向上するかを検証する。また、電荷検出時間の高速化を行い、電荷検出時間5 usecを達成する。時間分解磁気光学効果測定により(110)GaAs量子井戸において重い正孔から光―スピンへの量子状態転写の実証を目指すとともに、(110)GaAs量子ドット作製のため技術の確立を目指す。
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Research Products
(105 results)
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[Journal Article] Quantum dephasing in a gated GaAs triple quantum dot due to non-ergodic noise2016
Author(s)
M.R. Delbecq, T. Nakajima, P. Stano, T. Otsuka, S. Amaha, J. Yoneda, K. Takeda, G. Allison, A. Ludwig, A.D. Wieck, and S. Tarucha
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 116
Pages: 046802 1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] 4pi-periodic Josephson supercurrent in HgTe-based topological Josephson junctions2016
Author(s)
K. Wiedenmann, E. Bocquillon, R.S. Deacon, S. Hartinger, O. Herrmann, T.M. Klapwijk, L. Maier, C. Ames, C. Bru¨ne, C. Gould, A. Oiwa, K. Ishibashi, S. Tarucha, H. Buhmann, and L.W. Molenkamp
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 7
Pages: 10303 1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Fast probe of local electronic states in nanostructures utilizing a single-lead quantum dot2015
Author(s)
T. Otsuka, S. Amaha, T. Nakajima, M. Delbecq, J. Yoneda, K. Takeda, R.Sugawara, G. Allison, A. Ludwig, A. Wieck, and S. Tarucha
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 5
Pages: 14616 1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Robust micro-magnet design for fast electrical manipulations of single spins in quantum dots2015
Author(s)
J. Yoneda, T. Otsuka, T. Takakura, M. Pioro-Ladriere, H. Lu, T. Nakajima, T. Obata, A. Noiri, C.J. Palmstrom, A.C. Gossard, and S. Tarucha
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 8
Pages: 084401 1-4
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Supercurrent in the quantum Hall regime: part I2016
Author(s)
Chung-Ting Ke, Francois Amet, Ivan Borzenets, Jiyingmei Wang, Keji Watanabe, Takashi Taniguchi, Russell Deacon, Michihisa Yamamoto, Yuriy Bomze, Seigo Tarucha, Gleb Finkelstein
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore, Maryland, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] Supercurrent in the quantum Hall regime, part II2016
Author(s)
Francois Amet, Chung Ting Ke, Ivan Borzenets, Jiyingmei Wang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Russel Deacon, Michihisa Yamamoto, Yuriy Bomze, Seigo Tarucha, Gleb Finkelstein
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore, Maryland, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] Supercurrent in the quantum Hall regime2016
Author(s)
Ming-Tso Wei, Franois Amet, Chung-Ting Ke, Ivan Borzenets, Jiyingmei Wang, Keji Watanabe, Takashi Taniguchi, Russell Deacon, Michihisa Yamamoto, Yuriy Bomze, Seigo Tarucha, Gleb Finkelstein
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore, Maryland, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] Ballistic and diffusive regimes in current-phase relations of graphene SNS heterojunctions2016
Author(s)
P. Kratz, F. Amet, C. Watson, K. Moler, C. Ke, I. Borzenets, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Deacon, M. Yamamoto, Y. Bomze, S. Tarucha, and G. Finkelstein
Organizer
APS March Meeting 2016
Place of Presentation
Baltimore, Maryland, USA
Year and Date
2016-03-14 – 2016-03-18
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[Presentation] Hybrid cQED architecture as a model system for non-equilibrium physics in condensed matter2016
Author(s)
G. Allison, M. R. Delbecq, N. Lambert, T. Nakajima, J. Yoneda, K. Takeda, M. Marx, T. Otsuka, S. Amaha, F. Nori, and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
Place of Presentation
University of Tokyo, Tokyo
Year and Date
2016-01-12 – 2016-01-14
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[Presentation] 15.T. Nakajima, M. R. Delbecq, T. Otsuka, S. Amaha, J. Yoneda, A. NoiriA, K. Takeda, G. Allison, A. LudwigB, A. D. WieckB, and S. Tarucha2016
Author(s)
T. Nakajima, M. R. Delbecq, T. Otsuka, S. Amaha, J. Yoneda, A. NoiriA, K. Takeda, G. Allison, A. LudwigB, A. D. WieckB, and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
Place of Presentation
University of Tokyo, Tokyo
Year and Date
2016-01-12 – 2016-01-14
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[Presentation] Coherent electron-spin-resonance control of three individual spins in a triple quantum dot2016
Author(s)
A. Noiri, J. Yoneda, T. Nakajima, T. Otsuka, M. R. Delbecq, K. Takeda, S. Amaha, G. Allison, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
Place of Presentation
University of Tokyo, Tokyo
Year and Date
2016-01-12 – 2016-01-14
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[Presentation] Electron spin resonance in a quadruple quantum dot2016
Author(s)
T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, J. Yoneda, K. Takeda, G. Allison, T. Ito, R. Sugawara, A. Noiri, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
Place of Presentation
University of Tokyo, Tokyo
Year and Date
2016-01-12 – 2016-01-14
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[Presentation] A fast addressable spin qubit in a silicon quantum dot2016
Author(s)
K. Takeda, J. Kamioka, T. Otsuka, J. Yoneda, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, A. Noiri, R. Sugawara, T. Kodera, S. Oda and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
Place of Presentation
University of Tokyo, Tokyo
Year and Date
2016-01-12 – 2016-01-14
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[Presentation] Exploiting the slow dynamics of nuclear spins to enhance the coherence time of spin qubits in GaAs2015
Author(s)
M. R. Delbecq, T. Nakajima, P. Stano, T. Otsuka, S. Amaha, J. Yoneda, K. Takeda, G. Allison, A. Ludwig, A. D. Wieck and S. Tarucha
Organizer
International Symposium on Nanoscale Transport and Technology(ISNTT2015)
Place of Presentation
NTT Atsugi R&D Center Atsugi, Kanagawa, Japan
Year and Date
2015-11-17 – 2015-11-20
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[Presentation] Zero-energy Andreev bound states in a HgTe topological Josephson junction2015
Author(s)
R.S. Deacon, J. Wiedenmann, E. Bocquillon, S. Hartinger, O. Herrmann, T.M. Klapwijk, L. Maier, C. Ames, C. Brune, C. Gould, A. Oiwa, K. Ishibashi, S. Tarucha, H. Buhmann, L.W. Molenkamp
Organizer
International Symposium on Nanoscale Transport and Technology(ISNTT2015)
Place of Presentation
NTT Atsugi R&D Center Atsugi, Kanagawa, Japan
Year and Date
2015-11-17 – 2015-11-20
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[Presentation] 三角形型三重量子ドットの電荷輸送特性2015
Author(s)
川崎賢人, 野入亮人, 天羽真一, 大塚朋廣, 中島峻, 米田淳, M. Delbecq, 武田健太, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] 四重量子ドットにおける単一電子スピン共鳴2015
Author(s)
大塚朋廣, 中島峻, Matthieu Delbecq, 天羽真一, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 菅原烈, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas Wieck, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] 高速複数電荷計を用いた多重量子ドット電荷状態の観測2015
Author(s)
伊藤匠, 大塚朋廣, 天羽真一, 中島峻, Matthieu Delbecq, 米田淳, 武田健太, Giles Allison, 野入亮人, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] 電極閉じ込め型シリコンMOS量子ドットの作製と評価2015
Author(s)
米田淳, 本田拓夢, 武田健太, Marian Marx, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu Delbecq, 天羽真一, Giles Allison, 小寺哲夫, 小田俊理, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] Si二重量子ドット中の電子スピンの高速独立操作2015
Author(s)
武田健太, 神岡純, 小幡利顕, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu Delbecq, 天羽真一, 米田淳, Giles Alison, 野入亮人, 菅原烈, 小寺哲夫, 小田俊理, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] 三重量子ドットにおける非隣接スピンもつれ状態の形成と観測2015
Author(s)
中島峻, Matthieu R. Delbecq, 大塚朋廣, 天羽真一, 米田淳, 野入亮人, 武田健太, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学, 大阪
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] Increasing valley-splitting in Si/SiGe quantum dots2015
Author(s)
M. Marx, K. Takeda, J. Yoneda, G. Allison, T. Honda, M. Delbecq, T. Otsuka, T. Nakajima, S. Amaha, T. Kodera, S. Oda, and Seigo Tarucha
Organizer
第5回 半導体量子効果と量子情報の夏期研修会
Place of Presentation
那須サンバレー、栃木、日本
Year and Date
2015-09-10 – 2015-09-12
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[Presentation] Implementation of three spin qubits in a lateral triple quantum dot2015
Author(s)
A. Noiri, T. Nakajima, J. Yoneda, M. Delbecq, T. Otsuka, S. Amaha, K. Takeda, A. Ludwig, A.D. Wieck and S. Tarucha
Organizer
SpinTech VIII International School & Conference
Place of Presentation
Congress Center Basel, Basel, Switzerland
Year and Date
2015-08-10 – 2015-08-13
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[Presentation] A strongly driven single-spin qubit in a Si/SiGe double quantum dot with a micro-magnet2015
Author(s)
K. Takeda, J. Kamioka, T. Obata, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, J. Yoneda, G. Allison, A. Noiri, R. Sugawara, T. Kodera, S. Oda, and S. Tarucha
Organizer
SpinTech VIII International School & Conference
Place of Presentation
Congress Center Basel, Basel, Switzerland
Year and Date
2015-08-10 – 2015-08-13
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[Presentation] abrication and characterization of gate-defined small Si-MOS quantum dot device2015
Author(s)
J. Yoneda, T. Honda, K. Takeda, M. Marx, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, and S. Tarucha
Organizer
Silicon Quantum Electronics Workshop2015
Place of Presentation
かがわ国際会議場・展示場, 香川
Year and Date
2015-08-03 – 2015-08-04
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[Presentation] Improved design and fabrication for Si/SiGe quantum dots with increased valley-splitting2015
Author(s)
M. Marx, K. Takeda, J. Yoneda, G. Allison, T. Honda, M. Delbecq, T. Otsuka, T. Nakajima, S. Amaha, T. Kodera, and S. Oda
Organizer
Silicon Quantum Electronics Workshop2015
Place of Presentation
かがわ国際会議場・展示場, 香川
Year and Date
2015-08-03 – 2015-08-03
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[Presentation] Zero-energy Andreev bound states in a HgTe topological Josephson junction2015
Author(s)
Erwann Bocquillon, Jonas Wiedenmann, Russell S. Deacon, Simon Hartinger, Teunis M. Klapwijk, Luis Maier, Christopher Ames, Christoph Brune, Koji Ishibashi, Seigo Tarucha
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] Long-range spin transfer using individual electrons2015
Author(s)
Benoit Bertrand, Sylvain Hermelin, Shintaro Takada, Michihisa Yamamoto, Seigo Tarucha, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Christopher Bauerle, and Tristan Meunier
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] Realization and evaluation of a fast single-lead quantum dot probe2015
Author(s)
Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Retsu Sugawara, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] Electrically pulsed fourier transform spectroscopy of coupled electron spins in triple quantum dot2015
Author(s)
Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Akito Noiri, Kenta Takeda, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] A tunnel-coupled triangular triple quantum dot2015
Author(s)
Akito Noiri, Kento Kawasaki, Shinichi Amaha, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Kenta Takeda, and Seigo Tarucha
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] Single-electron spin resonance in a quadruple quantum dot2015
Author(s)
Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Retsu Sugawara, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
Organizer
EP2DS-21
Place of Presentation
仙台国際センター, Sendai, Japan
Year and Date
2015-07-26 – 2015-07-31
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[Presentation] CVD Graphene/Lead (Pb)-based Cooper-pair splitter2015
Author(s)
I. Borzenets, Yuya Shimazaki, Gareth Jones, Monica Craciun, Saverio Russo, Michihasa Yamamoto, and Seigo Tarucha
Organizer
The Sixteenth International Conference on the Science and Application of Nanotubes(NT15)
Place of Presentation
Nagoya University, Nagoya, Japan
Year and Date
2015-06-29 – 2015-07-03
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[Presentation] Valley Hall effect in bilayer graphene2015
Author(s)
Y. Shimazaki, M. Yamamoto, I. V. Borzenets, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Tarucha
Organizer
Superstripes2015 International Conference
Place of Presentation
Hotel Continental Ischia, Ischia, Italy
Year and Date
2015-06-13 – 2015-06-18
Invited
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