2015 Fiscal Year Research-status Report
二重磁気共鳴法による希薄ドープ半導体の超低温・高磁場でのスピンダイナミクスの研究
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26400331
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| Research Institution | University of Fukui |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福田 昭 兵庫医科大学, 医学部, 准教授 (70360633)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 希薄ドープ半導体 / 超低温高周波磁気共鳴測定装置開発 / ESR/NMR二重磁気共鳴 / ファブリペロー型共振器 / 国際研究者交流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主たる目的は、シリコン半導体中に希薄にリンをドープした試料(Si:P)中の孤立ドナー電子スピンと核スピンのスピンダイナミクスを調べることである。Si:Pは磁気共鳴型量子コンピュータの有力な候補デバイスとされており、量子計算のために必要とされる1 K以下の超低温および3テスラ以上の高磁場中で磁気共鳴測定を行う。
昨年度までに、凹球面と平面からなるオープンなミラー型共振器の開発を行うとともに、希釈冷凍機ホモダイン検波ESRシステムを組み上げた。これを用いてSi:PからのESR信号は得られたが、信号強度が小さく、動的核偏極の観測には至らなかった。
本年度は、前年度までの実績をもとに、共同研究者、研究協力者（外国人を含む）とともに、主に信号強度の改善に取り組んだ。まず前年度報告書記載の通り各パーツの点検等を実施し、減衰をより小さくした。また、実験上の問題として、共振器の共振周波数の温度変化を追えていないことの解決が必要と考えた。しかしSi:P試料が十分に絶縁体となる10 K程度以下まで冷却して調べる必要がある。そこで、ガラスデュワーを用いた共振器特性測定システムを作成して簡便に冷却できるようにした。ミラー型共振器の特性をミラー間距離やミラー平行度など詳細に調べ、十分に鋭い共振が得られる状態を見いだすことが出来た。標準試料として有機ラジカルDPPHおよびMgO中に希釈されたMn(II)イオンを用い、最低温度0.09Kまで約128 GHzでESR信号を観測することに成功した。およそ10の13乗スピン/ガウスの感度を達成した。
並行して、NMRとの二重磁気共鳴のために必要な薄膜平面ミラーの製作方法の改善も試みた。スタイキャスト素材に金をスパッタする際に、母材の平面の平滑性が重要であることを見いだした。また共振特性(Q値等)の膜厚による変化を系統的に測定することにより、必要十分な膜厚を見いだした。
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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
当初は予期していなかったが、Si:P特有の問題により、共振器と試料の冷却を繰り返し行う必要が生じた。このために新たなプローブの作成が必要となった。そのために目標とする二重磁気共鳴測定には至っていないが、低温での共振器特性の測定ができるようになり、さらには十分に高い感度でESR測定に成功した。さらには二重磁気共鳴に必要な薄膜平面ミラーの最適化も進められている。以上から着実に目的とする超低温強磁場二重磁気共鳴測定へ進んでいると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
組み上げた希釈冷凍機ESRシステムを用いて希薄ドープSi:PのESR測定を行う。さらに、共振周波数をより感度の良い位置に調整できるように、ピエゾアクチュエーターを用いた可動機構を組み込み、周波数を希釈冷凍機に組み込んだあとにも変化させられるようにする。また、薄膜平面ミラーを用いた共振器を用いてESR測定、NMR測定が可能であることを確かめる。
ESR測定において動的核偏極が観測されることを確認した後、ESR/NMR二重磁気共鳴測定にすすむ。ESR感度が向上しない場合、原因によっては、パーツの新規購入や検出方法の変更、共振器形状の変更を検討する。
これまでの成果について論文発表を目指す。
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| Causes of Carryover |
本年度は当初の予定よりも装置開発に注力することになり、目的とする二重磁気共鳴実験を次年度に多く行う必要が生じた。そのため、寒剤代の一部を次年度に繰り越すことにした。旅費についても同様に、研究分担者が実験のために旅行する計画を次年度に持ち越したため、繰り越しが生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度であり、当初目的の磁気共鳴測定を行うために、多くの寒剤を用いた実験を多く行う計画である。研究分担者も実験にあわせて旅費を使用する計画である。
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[Journal Article] Microscopic control of 29Si nuclear spins near phosphorus donors in silicon2015
Author(s)
J. Ja"rvinen, D. Zvezdov, J. Ahokas, S. Sheludyakov, O. Vainio, L. Lehtonen, S. Vasiliev, Y. Fujii, S. Mitsudo, T. Mizusaki, M. Gwak, SangGap Lee, Soonchil Lee, L. Vlasenko
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 92
Pages: 121202-1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] 動的核偏極NMR測定のための超低温高周波磁気共鳴装置の開発2016
Author(s)
石川 裕也, 小森 剛, 大矢 健太, 森本 和也, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 水崎 隆雄, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, 山森 英智, S. Lee, S. Vasiliev
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・仙台市）
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
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[Presentation] 希薄ドープSi:Pの高周波ESR/NMR二重磁気共鳴測定のための装置開発2015
Author(s)
小森 剛, 石川 裕也, 大矢 健太, 森本 和也, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 水崎 隆雄, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, S. Lee, S. Vasiliev
Organizer
2015年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
Place of Presentation
金沢大学角間キャンパス（石川県・金沢市）
Year and Date
2015-11-28
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[Presentation] Si:Pの動的核偏極NMR測定を目指した装置開発2015
Author(s)
小森 剛, 森本 和也, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 水崎 隆雄, 石川 裕也, 大矢 健太, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev
Organizer
第二回西日本強磁場科学研究会
Place of Presentation
神戸大学六甲台第二キャンパス（兵庫県・神戸市）
Year and Date
2015-11-24 – 2015-11-25
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[Presentation] 極低温高周波二重磁気共鳴測定装置の開発2015
Author(s)
小森 剛, 森本 和也, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 水崎 隆雄, 石川 裕也, 大矢 健太, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev
Organizer
第54回電子スピンサイエンス学会年会
Place of Presentation
朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
Year and Date
2015-11-02 – 2015-11-04
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[Presentation] 希釈冷凍機を用いた高周波ESR/NMR二重磁気共鳴測定装置の開発2015
Author(s)
小森 剛, 森本 和也, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 水崎 隆雄, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, 山森 英智, S. Lee, S. Vasiliev, 石川 裕也, 大矢 健太
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学千里山キャンパス（大阪府・吹田市）
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] Spin Dynamics of Lightly Phosphorous-Doped Silicon Studied by Magnetic Resonance at Very Low Temperatures and under High Magnetic Fields2015
Author(s)
Yutaka Fujii, S. Mitsudo, K. Morimoto, T. Komori, Y. Ishikawa, H. Kikuchi, T. Mizusaki, A. Fukuda, A. Matsubara, T. Ueno, M. Gwak, S.-G. Lee, S. Lee
Organizer
3rd Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications” (3rd AWEST 2015)
Place of Presentation
淡路夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路市）
Year and Date
2015-06-14 – 2015-06-16
Int'l Joint Research / Invited
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