Study on spin dynamics in shallow doped semiconductor by double magnetic resonance technique at ultra-low temperatures and under high magnetic field

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26400331
• 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, 准教授 (70360633)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 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

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等を行うとともに、ESRシステムの感度を改善し、標準試料として酸化マグネシウム中の希薄なマンガンイオンや、有機ラジカルDPPHのESRを行った。最終年度には、Si:PのESRに再び挑戦し、超低温域のESR測定の高感度化に成功した。さらに動的核偏極によりリン核スピンを50％まで偏極させることに成功した。並行して、共振器の平面ミラーをピエゾアクチュエータを用いて可動式にすることで周波数を調整できるようにした。また、平面ミラーを金薄膜で構成したものを作成し、NMRが可能であることを示した。Si:PについてはDNP-NMR信号などの純粋な二重共鳴信号の観測には至らなかったので、さらに共振器構造を変更し、開発を行った。これらの成果を物理学会等の学会において多数発表し、研究協力者の大学院生が発表賞を受賞した。
研究期間全体として高周波超低温二重磁気共鳴装置の開発に成功した。特に、このシステムは、ピエゾアクチュエータを用いた共振器調整機構や、金薄膜を用いることによって周波数の異なる磁気共鳴を可能とする機構などの特徴をもつものである。今後、さらに共振器構造を改良することにより、量子コンピュータ候補デバイスであるSi:Pのスピンダイナミクスを直接観測することができるであろう。

Remarks

研究協力者（指導する大学院生）と協力して学会誌に記事掲載：石川裕也, 超低温・高周波領域におけるDNP-NMRのための二重磁気共鳴装置の開発, 電子スピンサイエンス vol.15 (2017) p.37

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
• [Int'l Joint Research] 韓国科学技術院(KAIST)/韓国基礎科学研究院(KBSI)(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: 韓国科学技術院(KAIST)/韓国基礎科学研究院(KBSI)
• [Journal Article] 動的核偏極NMR測定の為のミリ波帯超低温磁気共鳴装置の開発 (2017)
  • Author(s): 石川 裕也, 大矢 健太, 藤井 裕, 光藤 誠太郎, 小泉 優太, 三浦 俊亮, 水崎 隆雄, 菊池 彦光, 福田 昭, 松原 明, 山森 英智, Soonchil Lee, Sergey Vasiliev
  • Journal Title: 日本赤外線学会誌 Volume: 27(1) Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Growth, Structures and Magnetic Properties of Copper Hydroxide Compound Crystals with Distorted Diamond Chain Magnetic Network (2016)
  • Author(s): Wataru Fujita, Akio Tokumitu, Yutaka Fujii, Hikomitsu Kikuchi
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: 18 Pages: 8614-8621
  • DOI: 10.1039/C6CE01631F
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 超低温・高周波ESR/NMR二重磁気共鳴装置の開発 (2017)
  • Author(s): 石川裕也，大矢健太，三浦俊亮，小泉優太，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72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] ミリ波帯ESR/NMR二重磁気共鳴用共振器の開発 (2017)
  • Author(s): 大矢健太, 三浦俊亮, 石川裕也, 小泉優太, 藤井裕, 光藤誠太郎, 菊池彦光
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 周波数可変Fabry-Perot型共振器を用いたミリ波ESR測定 (2017)
  • Author(s): 三浦俊亮, 大矢健太, 石川裕也, 藤井裕, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 戸田充
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] 高強度遠赤外領域光源を用いた圧力下電子スピン共鳴測定装置の開発 (2017)
  • Author(s): 高田篤, 木田孝則, 赤木暢, 櫻井敬博, 大木瑛登, 太田仁, 光藤誠太郎, 藤井裕, 小川勇, 出原敏孝, 萩原政幸
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] ESR Experiments of P Impurities in Si and Dynamic Nuclear Polarization Aimed at the Application for Qubits (2017)
  • Author(s): Akira Fukuda, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Kenta Ohya, Yuta Koizumi, Syunsuke Miura, Seitaro Mitsudo, Takao Mizusaki, Hikomitsu Kikuchi, Akira Matsubara, Hidenori Yamamori, Soonchil Lee, Sergey A. Vasiliev
  • Organizer: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2017 (IW-FIRT2017) & The 2nd International Symposium on Development of High Power Terahertz Science and Technology (DHP-TST2017)
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ESR study on quantum frustrated magnet KCu3OCl(SO4)2 (2017)
  • Author(s): H. Kikuchi, K. Kunieda, N. Kasamatsu, Y. Fujii, S. Mitsudo
  • Organizer: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2017 (IW-FIRT2017) & The 2nd International Symposium on Development of High Power Terahertz Science and Technology (DHP-TST2017)
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Considerations on the Overhauser Effect from the Viewpoint of the Non-Equilibrium Phase Transition (2017)
  • Author(s): Yutaka Fujii, Mitsuru Toda, Seitaro Mitsudo, Toshitaka Idehara
  • Organizer: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2017 (IW-FIRT2017) & The 2nd International Symposium on Development of High Power Terahertz Science and Technology (DHP-TST2017)
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of millimeter-wave band Fabry-Perot type resonator for ESR/NMR double magnetic resonance measurements (2017)
  • Author(s): Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Kenta Ohya, Seitaro Mitsudo, Hidetomo Yamamori, Shunsuke Miura, Hikomitsu Kikuchi
  • Organizer: The 6th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2017 (IW-FIRT2017) & The 2nd International Symposium on Development of High Power Terahertz Science and Technology (DHP-TST2017)
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2017-03-07 – 2017-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミリ波帯多周波ESRのためのFabry-Perot型共振器の開発 (2016)
  • Author(s): 三浦俊亮, 大矢健太, 石川裕也, 藤井裕, 浅野貴行, 光藤誠太郎, 戸田充
  • Organizer: 2016年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県富山市）
  • Year and Date: 2016-11-26 – 2016-11-26
• [Presentation] 超低温・高磁場におけるミリ波ESR/NMR二重磁気共鳴測定のための装置開発（優秀発表賞） (2016)
  • Author(s): 石川裕也，大矢健太，藤井裕，光藤誠太郎，小泉優太，三浦俊亮，水崎隆雄，菊池彦光，福田昭，松原明，山森英智， S. Lee，S. Vasiliev
  • Organizer: 第26回日本赤外線学会研究発表会
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 2016-11-17 – 2016-11-18
• [Presentation] 超低温・高周波領域におけるDNP-NMRのための二重磁気共鳴装置の開発 （学生優秀ポスター賞） (2016)
  • Author(s): 石川裕也, 大矢健太, 藤井裕, 光藤誠太郎, 小泉優太, 三浦俊亮, 水崎隆雄, 菊池彦光, 福田明, 松原明, Soonchil Lee, 山森英智, Sergey Vasiliev
  • Organizer: 第55回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2016-11-10 – 2016-11-12
• [Presentation] ミリ波帯 ESR/NMR 二重磁気共鳴に用いる共振器の開発 (2016)
  • Author(s): 大矢健太, 石川裕也, 藤井裕, 光藤誠太郎, 三浦俊亮, 小泉優太, 菊池彦光
  • Organizer: 第55回電子スピンサイエンス学会年会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2016-11-10 – 2016-11-12
• [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II (2016)
  • Author(s): 石川裕也，大矢健太，三浦俊亮，小泉優太，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，小森剛，S. Lee，S. Vasiliev
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] ミリ波帯ESR/NMR二重磁気共鳴に用いるミラー型共振器の開発 (2016)
  • Author(s): 大矢健太，三浦俊亮，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎，菊池彦光，小泉優太
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] 二次元量子スピン系Cu5(VO4)2(OH)4の磁性 (2016)
  • Author(s): 藤井裕，笠松直幸，菊池彦光，松尾晶，金道浩一
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] ミリ波帯ESR/NMR二重磁気共鳴に用いるミラー型共振器の製作と磁気共鳴測定 (2016)
  • Author(s): 大矢健太，三浦俊亮，小泉優太，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎，菊池彦光
  • Organizer: 第三回西日本強磁場科学研究会
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2016-09-12 – 2016-09-12
• [Presentation] 超低温・高周波領域におけるDNP-NMRのための二重磁気共鳴装置の開発 (2016)
  • Author(s): 石川裕也，大矢健太，三浦俊亮，小泉優太，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，小森剛，S. Lee，S. Vasiliev
  • Organizer: 第三回西日本強磁場科学研究会
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2016-09-12 – 2016-09-12
• [Presentation] ミラー型共振器の共振周波数調整機能の製作 (2016)
  • Author(s): 三浦俊亮，大矢健太，石川裕也，藤井裕，光藤誠太郎，菊池彦光
  • Organizer: 第三回西日本強磁場科学研究会
  • Place of Presentation: 福井大学文京キャンパス（福井県福井市）
  • Year and Date: 2016-09-12 – 2016-09-12
• [Presentation] Magnetic resonance and high-field magnetization studies of Cu5(PO4)2(OH)4 (pseudomalachite) : a spin network composed of pentagons and triangles (2016)
  • Author(s): Y. Fujii, H. Kikuchi, S. Mitsudo, Y. Ishikawa, K. Kunieda, N. Kasamatsu
  • Organizer: 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism (HFM2016)
  • Place of Presentation: Taipei (台湾)
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Successive phase transitions observed in the new frustrated magnet, KCu3OCl(SO4)2 (kamchatkite) (2016)
  • Author(s): H. Kikuchi, K. Kuhieda, Y. Fujii, A. Matsuo, K. Kindo
  • Organizer: 8th International Conference on Highly Frustrated Magnetism (HFM2016)
  • Place of Presentation: Taipei (台湾)
  • Year and Date: 2016-09-07 – 2016-09-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of High-Frequency Magnetic Resonance System for DNP Measurements at Very Low Temperatures (2016)
  • Author(s): Y. Ishikawa, K. Ohya, S. Miura, Y. Fujii, S. Mitsudo, T. Mizusaki, H. Kikuchi, A. Fukuda, A. Matsubara, S. Lee, H. Yamamori, S. Vasiliev
  • Organizer: Asia-Pacific EPR/ESR Symposium 2016 (APES2016)
  • Place of Presentation: Irkutsk (ロシア)
  • Year and Date: 2016-08-28 – 2016-09-02
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究者個人のページ
  • URL: http://apphy.u-fukui.ac.jp/~fujii/
• [Remarks] 福井大学研究者総覧
  • URL: http://t-profile.ad.u-fukui.ac.jp/profile/ja.07084f479258e1d9520e17560c007669.html