スピン軌道相互作用を利用した集積スピン量子ビット基盤の開拓

• Project/Area Number: 23K26486
• Project/Area Number (Other): 23H01793 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 木山 治樹 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (80749515)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 板垣 奈穂 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (60579100)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000); Fiscal Year 2025: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2024: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2023: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: 量子ドット / スピン / 量子ビット / スピン軌道相互作用

Outline of Research at the Start

本研究では、集積化に適した量子ビットとして、スピン軌道相互作用を利用した半導体スピン量子ビットに着目し、その基盤技術の開発に取り組む。まず、強いスピン軌道相互作用を示す材料を用いて、集積化に適したゲート制御量子ドットの作製手法を確立する。次に、スピン軌道相互作用を用いたスピン量子ビット高速操作、およびｇ因子のゲート電圧制御による共鳴周波数の精密制御手法の開発に取り組む。これらの技術を組み合わせることで、大規模集積化可能なスピン量子ビットデバイスの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は、InAs量子井戸を用いたゲート制御量子ドットの作製に取り組んだ。InAs量子井戸は、エッチングで作製したメサの端に電子密度の高い伝導チャネルが形成されることが知られている。この端伝導について、ゲート電極を2層構造にして、1層目のゲート電極を用いて電気的にメサを形成することで、端伝導を抑制可能であることが報告されている。本研究でも同様の構造を採用した。研究協力者が作製したInAs/InGaAs/InAlAs量子井戸基板を用いて、量子ドット電荷計を有する4重量子ドット構造を作製した。

次に、作製したゲート制御量子ドット試料を用いて、極低温において電気伝導測定を行った。ゲート電極間のピンチオフ特性において、大きなバックグラウンド電流が観測された。端伝導は抑制されていると考えられるため、このバックグラウンド電流は量子井戸層より深い位置に並列伝導層が存在していることを示唆している、次に、ゲート電極を用いて量子ドットの形成を行った。量子ドットに特徴的なクーロン振動の観測に成功し、量子ドットの形成を確認した。GaAs等の従来材料の量子ドットと比べると動作が不安定であり、これは試料中の欠陥や不純物に起因していると考えられる。さらに、量子ドット近傍に作製した電荷計を用いて単一電荷検出も試みたが、バックグラウンド電流の影響のために明瞭な電荷検出信号は得られなかった。今後は量子井戸基板の改善による並列伝導および欠陥の抑制が必要である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度は当初の計画通り、InAs量子井戸を用いたゲート制御量子ドットの作製と低温における量子ドットの形成を達成した。並列伝導による大きなバックグラウンド電流のために単一電荷検出には至らなかったが、ゲート電圧による電荷計伝導度制御は確認しており、今後基板改良による並列伝導抑制によって単一電荷検出は早期に達成可能と期待される。

Strategy for Future Research Activity

並列伝導層を形成しないように量子井戸基板構造を改良し、それを用いてゲート制御量子ドットを作製する。単一電荷検出およびスピン読み出しを行い、スピン軌道相互作用を用いた単一スピン操作に取り組む。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ruhr-Universitat Bochum(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of California, Santa Barbara(米国)
• [Presentation] 半導体量子コンピュータ集積化に向けたスピン読み出し法の開発 (2024)
  • Author(s): 木山治樹
  • Organizer: 九州大学量子ネイティブ育成研究シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Y. Wada, S. Zhiyuan, H. Yabuta, N. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, H. Kiyama, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki (2024)
  • Author(s): Sputtering deposition of low resistive 30-nm-thick ZnO:Al films on seed layers grown via solid phase crystallization of fractionally crystallized ZnON films
  • Organizer: The 16th International Symposium on Advanced PlasmaScience and its Applications for Nitrides and Nanomaterials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scalable high-fidelity spin readout using the double-latching mechanism (2023)
  • Author(s): Tatsuya Morimoto, Yuki Yokoyama, Yuta Matsumoto, Akira Oiwa, Haruki Kiyama
  • Organizer: The 12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
• [Presentation] 逆 Stranski-Krastanov モードを利用した異なるオフ角を有するサファイア基板上への(ZnO)x(InN)1-x 膜の成長 (2023)
  • Author(s): 中野祐太郎，成重椋太，山下尚人，鎌滝晋礼，奥村賢直，古閑一憲，白谷正治，木山治樹，板垣奈穂
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [Presentation] 逆 Stranski-Krastanov モードによるサファイア基板上への(ZnO)x(InN)1-x 膜のエピタキシャル成長:バッファー層のモフォロジーの影響 (2023)
  • Author(s): 畑昌太朗，中野祐太郎，成重椋太，山下尚人，鎌滝晋礼，奥村賢直，古閑一憲，白谷正治，木山治樹，板垣奈穂
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [Presentation] 逆Stranski-Krastanovモードによる格子不整合基板上への原子平坦 (ZnO)x(InN)1-x 膜の成長 (2023)
  • Author(s): 中野祐太郎, 成重椋太, 山下尚人, 鎌滝晋礼, 奥村賢直, 古閑一憲, 白谷正治, 木山治樹, 薮田久人, 板垣奈穂
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ZnOおよびScAlMgO4ステップ基板上への(ZnO)x(InN)1-x膜の室温エピタキシャル成長 (2023)
  • Author(s): 成重椋太, 中野祐太朗, 山下尚人, 鎌滝晋礼, 奥村賢直, 木山治樹, 古閑一憲, 白谷正治, 薮田久人, 板垣奈穂
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 逆Stranski-Krastanovモードを用いたサファイア基板上へのZnO単結晶膜成長：MgOバッファー層の効果 (2023)
  • Author(s): 湯上貴文, 矢高功太郎, 山下尚人, 山下大輔, 奥村賢直, 鎌滝晋礼, 木山治樹, 古閑一憲, 白谷正治, 板垣奈穂
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Sputter deposition of low resistive 30-nm-thick ZnO:Al films using ZnO seed layers grown via solid-phase crystallization (2023)
  • Author(s): Y. Wada, Z. Shen, H. Yabuta, N. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, H. Kiyama, K. Koga, M. Shiratani, N. Itagaki
  • Organizer: The XXXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pseudomorphic growth of (ZnO)x(InN)1-x films on ZnO substrates by magnetron sputtering using Ar/N2/O2 discharges (2023)
  • Author(s): R. Narishige, Y. Nakano, N. Yamashita, K. Kamataki, T. Okumura, H. Kiyama, K. Koga, M. Shiratani, H. Yabuta, N. Itagaki
  • Organizer: The XXXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sputter epitaxy of Zn1-xMgxO films on lattice-mismatched sapphire substrates utilizing ZnO(N)/MgO buffer layers fabricated by Ar/N2 and Ar/O2 discharges (2023)
  • Author(s): T. Yunoue, K. Yataka, N. Yamashita, D. Yamashita, T. Okumura, K. Kamataki, H. Kiyama, K. Koga, M. Shiratani, H. Yabuta, N. Itagaki
  • Organizer: The XXXV International Conference on Phenomena in Ionized Gases
  • Int'l Joint Research