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幾何学的磁気構造を用いた回路量子電磁気学の研究

Research Project

Project/Area Number 20H02561
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

中村 秀司  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (70613991)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
Keywords磁性体 / 回路量子電磁気学 / 超伝導共振器 / トポロジー / 欠陥準位 / 回転運動 / 2準位系
Outline of Research at the Start

光と物質との相互作用に関する研究は、屈折、回折など古くから物理学の根本的なテーマの 一つである。量子力学の進展とともに物質を構成する原子と光の相互作用を研究する量子電磁気学が誕生し、近年では半導体や超伝導体で作製された人工原子と光の相互作用を電子回路上で研究する回路量子電磁気学へと進展してきた。本研究では強磁性体中に現れる幾何学的な磁気構造に着目し、これまでの回路量子電磁気学では未開拓領域であった空間的にねじれた磁気構造とマイクロ波光子との相互作用が織りなす新しい物理の検出と解明を目指す。これにより空間的に非一様な 磁性体の量子制御による新機能素子、量子情報処理技術への利用指針を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

物質と光の相互作用に関わる研究は、物理学の基本的なテーマの一つであり原子と光子を用いた量子電磁気学から、回路上に実装された人工原子と共振器中の光子を用いた回路量子電磁気学へと進展してきた。本研究では、強磁性体中に現れる幾何学的磁気構造による人工原子の実現を通して、従来の回路量子電磁気学では未開拓だった空間的に非一様な磁気構造とマイクロ波光子の織りなす新しい物理の検出と解明に取り組んでいる。具体的には「マイクロ波光子による磁気渦回転運動の量子力学的制御と検出」を目指す。本年度は以下の成果をあげた。(1) 格子欠陥集団による非線形超伝導共振器の実現。 (2) スプリットリング共振器の実現と強磁性絶縁体中マグノンとの超強結合の実現(1)に関しては、回路量子電磁気学の実験で用いられる超伝導共振器に関わる研究である。厚みが2マイクロメートル程度の酸素欠陥を持つ熱酸化膜上に超伝導共振器を作製することで、マイクロ波による二準位系の飽和現象を利用した非線形超伝導共振器の作製に成功した。またこの非線形超伝導共振器を利用したパラメトリック発振を確認した。(2)に関しては、テフロン基板上にスプリットリング共振器を作製し、共振器中光子とYIGの単結晶中のマグノンがコヒーレントに結合した量子状態を実現した。この時の結合強度は共振器及びマグノンの固有周波数の13パーセント程度の大きさを持った超強結合領域であることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で目指す「マイクロ波光子による磁気渦回転運動の量子力学的制御と検出」においては
(1)超伝導共振器の作製と評価(2)磁性円盤の作製と回転運動の検出(3)超伝導共振器中磁性円盤の測定と評価(4)磁性円盤の回転運動と超伝導共振器のコヒーレントな結合の実現という順で研究を進めている。現状(3)の段階にあり、超伝導共振器中で磁性円盤の回転運動を検出するべく研究を進めている。さらにこれらに加えて、当初予定していなかった酸化膜中欠陥準位集団による超伝導共振器への非線形性誘起などの成果も出ており、概ね順調に進行していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今後進める「超伝導共振器中磁性円盤の測定と評価」「磁性円盤の回転運動と超伝導共振器のコヒーレントな結合の実現」に向けて、超伝導量子干渉素子を持った超伝導共振器の作製、及び前記素子による
磁性円盤の回転運動の検出を目指し研究を進めていく。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(7 results)

All 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Aalto University(フィンランド)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Single-surface conduction in a highly bulk-resistive topological insulator Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2S using the Corbino geometry2021

    • Author(s)
      Misawa Tetsuro、Nakamura Shuji、Okazaki Yuma、Fukuyama Yasuhiro、Nasaka Nariaki、Ezure Hiroki、Urano Chiharu、Kaneko Nobu-Hisa、Sasagawa Takao
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 118 Pages: 033102-033102

    • DOI

      10.1063/5.0026730

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dual-gate control of the surface carriers of the highly-bulk-resistive topological insulator Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2S2020

    • Author(s)
      Misawa Tetsuro、Nakamura Shuji、Okazaki Yuma、Fukuyama Yasuhiro、Nasaka Nariaki、Ezure Hiroki、Urano Chiharu、Kaneko Nobu-Hisa、Sasagawa Takao
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 32 Pages: 405704-405704

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ab997e

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      2020 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Precise resistance measurement of quantum anomalous Hall effect in magnetic heterostructure film of topological insulator2020

    • Author(s)
      Okazaki Yuma、Oe Takehiko、Kawamura Minoru、Yoshimi Ryutaro、Nakamura Shuji、Takada Shintaro、Mogi Masataka、Takahashi Kei S.、Tsukazaki Atsushi、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori、Kaneko Nobu-Hisa
    • Journal Title

      Applied Physics Letter

      Volume: 116 Pages: 143101-143101

    • DOI

      10.1063/1.5145172

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  • [Presentation] Fast Initialization Experiment of Superconducting Qubit Using SINIS2021

    • Author(s)
      Teruaki Yoshioka, Shuji Nakamura, Nobu-Hisa Kaneko, Jaw Shen Tsai
    • Organizer
      APS March Meeting 2021
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 中村秀司のホームページ

    • URL

      https://www.sites.google.com/site/shujinakamuraaist/

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      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 特許権2020

    • Inventor(s)
      中村秀司、岡崎雄馬、高田真太郎、金子晋久
    • Industrial Property Rights Holder
      産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
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    • Overseas

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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