2015 Fiscal Year Annual Research Report
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26287059
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
平山 祥郎 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20393754)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | メゾスコピック系 / 量子細線 / スピンエレクトロニクス / 半導体物性 / 先端機能デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H27年度の一番大きな成果はトレンチ型InSbイン・プレーン・ゲート型QPC構造でチャンネルの狭窄が実現され、安定した量子化特性が得られたことである。左右のイン・プレーン・ゲートに異なるバイアスを加えることで、トレンチに沿って蓄積1次元チャネルが形成される条件、中央に単一の1次元チャネルができる条件を明らかにした。さらに、中央に単一の1次元チャネルができる状況で並行磁場を加えると、InSbの大きなｇ因子を反映して1次元サブバンドがゼーマン分離により次々と交差する状況も確認された。なお、これらについては国際会議の発表を行っており、今後シミュレーションとも併せて論文化を進める。
また、InSbQPCに先駆け行っているGaAs系QPCにおいて、特にトリプルゲート構造の各ゲート電圧を制御した場合にどのような１次元チャネルポテンシャルが形成されるかを明らかにした。さらに、将来計画しているQPC構造での核スピン制御の研究に向けて、核スピンの電界による制御、特にQPC構造における電界制御、核スピンと電子スピンの相互作用などについて物理的な理解を深め、これらについて活発に論文発表、国際会議発表を行った。
まだQPC作製には成功していないが、原子層堆積（ALD）アルミナ（Al2O3）絶縁膜を用いることで高移動度InSbヘテロ構造の電子密度を制御範囲は限られるが正確に制御することに成功しており、この特性を利用して、金属・絶縁体転移の測定をはじめる前段階として、エッジチャネルの制御の実験に着手した。ゲート制御をうまく組み合わせる事で、非平衡エッジチャネルの形成とエッジチャンネル間のトンネル特性を測定することに成功し、並行磁場を印加して、並走するエッジチャネルのスピン状態を反平行から平行にすることによりエッジチャネル間の散乱が大きく増大することを確認した。
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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
本研究計画で予定しているInSb系スプリットゲート型、トリプルゲート型QPC、ならびにゲート制御を利用したInSb２次元系の金属絶縁体転移については、当初計画から遅れが生じているが、トレンチ型のイン・プレーン・ゲートQPCにおいて安定した量子化特性が得られ、並行磁場による1次元サブバンドの交差が確認された。さらに、左右のイン・プレーン・ゲートに異なるバイアスを印加することで、トレンチに沿った蓄積型1次元チャネルの形成が把握されるなど、InSbを用いたトレンチ型イン・プレーン・ゲートQPCについての実験と伝導特性の理解が大いに進行した。これらの成果により、このQPCを用いて次のステップに進む環境が整ったことから、本研究の目標達成に向けて重要な進展が得られたと言える。
原子層堆積（ALD）アルミナ（Al2O3）絶縁膜を用いた高移動度InSbヘテロ構造の電子密度制御についても、複数のゲート制御を組み合わせる事で、InSb系でははじめて、非平衡エッジチャネルの形成とエッジチャンネル間のトンネル特性の制御に成功した。さらに、InSbQPCの特性を理解するために欠くことのできないGaAs系QPCの特性評価において大きな進展があり、特にトリプルゲート構造における１次元チャネルポテンシャル形状が明らかになった。さらに、QPC構造における核スピンの制御、核スピン偏極特性の把握、核スピンと電子スピンの強い相互作用などについて、デバイス作製技術、背景にある物理の理解が進み、論文掲載、会議発表が順調に行われた。
これらのH27年度の成果を総合的に判断して、本研究計画の実現に向けて「概ね計画通りに進展」していると結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに量子化特性が得られ、さらに並行磁場下で大きなｇ因子を反映して1次元サブバンドの交差も確認されたトレンチ型イン・プレーン・ゲートQPCにおいて、左右のイン・プレーン・ゲートに異なるバイアスを印加した時の実験データを詳細に解析するとともに、セルフコンシステントな計算と比較することで、イン・プレーン・ゲート間のポテンシャル形状を明確にする。また、より幅の広いチャンネルを有するデバイスを作製することで、蓄積層の影響が少ない単一チャネルデバイスを作製し、ゼロバイアス異常、0.7構造、スピンフィルター機能について検討を進める。さらに、量子十準位系の制御に向けて、InSbQPC構造での抵抗検出NMRと少数115In核スピンのコヒーレント制御の研究を推進する。また、新しい試みとして超伝導になるインジウムオーミックコンタクトをQPCに近接して形成することで超伝導電流を１次元チャネルに流すことに挑戦する。
これまでQPCの動作実現に至っていないトリプルゲート型などの構造についても、ALD絶縁膜をAl2O3からHfO2に変えることで、界面準位がどのように改善するかを検討し、より制御性に優れたQPCの実現を目指す。原子層堆積（ALD）絶縁膜を用いて成功している非平衡エッジチャネルの形成とエッジチャンネル間のトンネル特性の制御については、エッジチャンネル間の散乱を利用した核スピン偏極と抵抗検出NMRがInSb２次元系でも可能かどうかを検討する。
トリプリゲートQPC構造で先行しているGaAs系においては、様々なチャネルポテンシャルでの伝導特性を引き続き評価し、QPC構造での抵抗検出NMRなど、我々のグループに独自な研究を推進する。GaAs系とInSb系のQPCの研究を並行に進め、特性を比較することで、0.7構造を含めた１次元系の伝導特性の理解についてより本質に迫るようにする。
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| Causes of Carryover |
H27年度はイン・プレーン・ゲート型のInSb系量子ポイントコンタクトの作製とその測定、さらにはGaAs系のポイントコンタクト構造での伝導特性評価、さらに２次元系、１次元系による核スピン制御、電子スピン・核スピンの相互作用の基礎物性理解に重点をおいたが、グループで一番低温に到達する希釈冷凍機が、H26年度から継続して使用できない状況にあり、この装置を用いた実験の進行が遅れている。正しく動作しない原因をまだ確定できておらず、可能性のある問題個所を見つけてはそれを直していくことを繰り返しているが、H27年度中に正常動作させることはできなかった。この装置は正常に動作すると冷却能力の点からも到達最低温度の点からも大変優れた装置であることから、引き続き修理を進める。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H28年度中には希釈冷凍機の修理を完了し、正常動作を実現する。正常動作実現後に角度依存性や特に試料温度が問題になる可能性が高いInSb系抵抗検出NMRの測定をスタートする。雑音を低減したシステムを構築して、装置を長期間使用した精密にパラメータを変化させた実験を行う。また、H28年度は得られた成果の論文化、国際会議での発表にも一層力を入れる予定であり、ここにも予算を使用する。
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[Presentation] InSb量子ポイントコンタクトにおける平行磁場中での伝導特性2016
Author(s)
増田貴史, 関根和希, M. H. Fauzi, 長瀬勝美, K. S. Wickramasinghe, T. D. Mishima, M. B. Santos, 平山祥郎
Organizer
日本物理学会第71回年次大会
Place of Presentation
東北学院大学泉キャンパス(宮城県、仙台)
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
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[Presentation] Hybrid Quantum Hall Systems2015
Author(s)
Y. Hama, M. H. Fauzi, K. Nemoto, Y. Hirayama, and Z. F. Ezawa
Organizer
International Workshop : Quantum Nanostructures and Electron-Nuclear Spin Interactions
Place of Presentation
東北大学知の館(宮城県、仙台)
Year and Date
2015-10-19 – 2015-10-21
Int'l Joint Research
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