テラヘルツ帯における単一電荷・スピン・フォノンの動力学制御による機能性の探索
| Project/Area Number |
17H02732
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Research Field |
Nanostructural physics
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| Research Institution | Tohoku Institute of Technology |
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Principal Investigator |
柴田 憲治 東北工業大学, 工学部, 准教授 (00436578)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2018: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2017: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
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| Keywords | 量子ドット / テラヘルツ / トランジスタ / スピン軌道相互作用 / 量子井戸 / 量子ポイントコンタクト / 電気伝導 / テラヘルツ電磁波 / トンネル効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度も、前年度に引き続いて、非常に強いスピン軌道相互作用を有する自己組織化InSb量子ドットを活性層とする単一電子トランジスタ素子の作製とその伝導特性の観測に関する実験を行った。ゲート電界による広範囲の電子状態の変調を可能とするため、前年度までに用いてきたサイドゲートでは無く、バックゲート構造を採用して素子作製を行った。その結果、バックゲートを用いた素子では、電子状態の変調が十分にできないことが分かった。詳しい実験によって、自己組織化InSb量子ドット基板には、表面に多数の電荷トラップ準位が存在し、そこへの電荷のトラップによってバックゲートからの電界変更が阻害されている可能性が強く示唆された。この解決には、結晶成長の最適化による電荷トラップ密度の低減や、トップゲート構造の採用などの対処をすることで、研究を前進させる予定である。
また、前年度から進めている好感度電荷検出器による量子ドットの電子状態の読み取りについても、引き続き実験を行い、電荷検出器の作製技術に関する多くのノウハウを得ることができた。
最後に、スピン状態の高速制御を目指して、スピン起動相互作用の非常に強いGaSb２次元ホール系についての研究も行い、特にノンドープのGaSb量子井戸に電界誘起した２次元ホール系に対して、その伝導特性の詳細な解析を行った。ノンドープ試料の移動度はドープ試料に比べて高く、コヒーレンス長も大きな値をとることが示された。以上の結果からGaSbにおいて実現する２次元ホール系が、これまで先行して確立されてきたガリウムヒ素やゲルマニウム、シリコンなどに続いて、量子情報素子やスピントロニクス素子のプラットフォームの候補となることが期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度に引き続いて、非常に強いスピン軌道相互作用を有する自己組織化InSb量子ドットを活性層とする単一電子トランジスタ素子の作製とその伝導特性の観測に関する実験を行った。電子状態のゲート変調を広範囲に行うため、バックゲート構造を採用して素子作製を行った結果、自己組織化InSb量子ドット基板には、表面に多数の電荷トラップ準位が存在し、そこへの電荷のトラップによってバックゲートからの電界変更が阻害されている可能性が強く示唆された。
また本年度は、ノンドープのGaSb量子井戸に電界誘起した２次元ホール系に対して、その伝導特性の解析を行った。ノンドープ試料の移動度はドープ試料に比べて高く、コヒーレンス長も大きな値が得られた。以上の結果は、量子情報素子やスピントロニクス素子のプラットフォームの候補を提供するものである。
以上のように、一定の成果は得られたものの、広範囲で電子状態のゲート変調が可能な量子ドットトランジスタの作製に困難が生じた結果、予定していたTHz波照射下での伝導特性評価ができなかったことから、当初予定よりもやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、バックゲート構造を有する自己組織化InSb量子ドット素子を作製し、その伝導特性を調べたが、電界変調ができない素子が多く、基板表面に多数の電荷トラップ準位が存在することが示唆された。このため来年度は、基板の結晶成長手法を見直すとともに、トップゲート構造を採用することで、量子ドット素子の広範囲のゲート変調を可能とする予定である。これが達成できれば、磁場中に試料を置き、テラヘルツ電磁波を照射することで、スピン分裂した量子準位を介した単一電子伝導や、テラヘルツ光支援トンネルが明瞭に観測されることが期待できるので、テラヘルツ波による単一スピンポンピング等の単一電荷やスピンのコヒーレントなダイナミクスの制御とその観測を実現したい。
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Report
(3 results)
Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Electric-field-induced two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum wells2019
Author(s)
K. Shibata, M. Karalic, C. Mittag, T. Tschirky, C. Reichl, H. Ito, K. Hashimoto, T. Tomimatsu, Y. Hirayama, W. Wegscheider, T. Ihn, K. Ensslin
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Journal Title
Applied Physics Letters
Volume: 114
DOI
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[Presentation] Electric-field-induced two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum wells2019
Author(s)
K. Shibata, M. Karalic, C. Mittag, T. Tschirky, C. Reichl, H. Ito, K. Hashimoto, T. Tomimatsu, Y. Hirayama, W. Wegscheider, T. Ihn, and K. Ensslin
Organizer
The 21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Edison 21)
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[Presentation] ノンドープGaSb量子井戸における2次元ホール系の磁場中輸送特性2019
Author(s)
柴田憲治, M. Karalic, C. Mittag, M. Hug, T. Tschirky, C. Reichl, 伊藤煕, 橋本克之, 冨松透, 平山祥郎, W. Wegscheider, T. Ihn, and K. Ensslin
Organizer
第80回応用物理学会秋季学術講演会
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[Presentation] Two-dimensional hole transport in undoped GaSb quantum well2019
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K. Shibata, M. Karalic, C. Mittag, T. Tschirky, C. Reichl, H. Ito, K. Hashimoto, T. Tomimatsu, Y. Hirayama, W. Wegscheider, T. Ihn, and K. Ensslin
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International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019 (HQS 2019)
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日本物理学会 第７４回年次大会
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