量子ドットを用いたスピン操作のための材料系および機能探索

• 研究課題/領域番号: 14076218
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 石橋 幸治 独立行政法人理化学研究所, 石橋極微デバイス工学研究室, 主任研究員 (30211048)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 19,800千円 (直接経費: 19,800千円); 2005年度: 5,400千円 (直接経費: 5,400千円); 2004年度: 5,500千円 (直接経費: 5,500千円); 2003年度: 5,300千円 (直接経費: 5,300千円); 2002年度: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円)
• キーワード: カーボンナノチューブ / 量子ドット / 人工原子 / ゼーマン効果 / 単電子輸送 / 相互作用する2準位系 / 量子ビット / 単電子トランジスタ / スピン量子操作 / スピン緩和時間 / ゼーマン分裂 / GaAs / AlGaAs2次元電子ガス / アンチドット / 量子ホール効果 / エッジ状態 / 単電子輸送現象 / 電子殻構造 / スピン操作 / 電子数の偶奇性効果 / クーロンブロッケード

研究概要

本研究では、束縛された電子スピンを対象として、そのコヒーレント操作を行うための材料系を伝統的な半導体にとどまらずカーボンナノチューブなどの新材料にまで広げ、制御すべき単一スピンを生成するための基礎物性を調べることを行った。束縛電子系としては、カーボンナノチューブ量子ドットとガリウムヒ素系2次元電子ガス内に形成したアンチドットを強磁場下においた系を対象とした。その結果、前者のカーボンナノチューブ量子ドットが単一スピンを生成するために大変よい性質を持っていることを明らかにした。
1本の単層カーボンナノチューブ上に電流を流すためのソース・ドレイン金属を蒸着すると、電極間のカーボンナノチューブ全体が量子ドットとして振る舞う。この量子ドットは、カーボンナノチューブの超微細な直径のゆえに、1次元箱型ポテンシャルに閉じこめられた人工原子として振る舞うことを、極低温での単電子輸送現象を測定することにより示した。すなわち、極低温でカーボンナノチューブ量子ドットのクーロン振動の振動周期に、4電子周期と2電子周期が現れる。これらのことは、閉じこめ準位により人工原子が形成されており、電子数が多いにもかかわらず、電子殻構造が観測されたことは重要である。このことは、電子殻に電子を1個入れた場合にはく単一スピンの生成、すなわちスピン型の量子ビットの生成が可能であることを示している。この状態で、磁場を印可するとエネルギーがゼーマン分裂することが明瞭に見られた。その状態でマイクロ波からミリ波の電磁波を照射し、単一スピンのコヒーレントな操作を試みたが成功しなかった。ただし、単一スピンのエネルギー緩和時間は1マイクロ秒以上あることがわかった。また、電子殻に電子を2個入れた状態では、相互作用する2電子系の量子状態であるスピン1重項状態とスピン3重項状態をエネルギースペクトル測定で直接観測することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Carbon nanotubes as building blocks of quantum dots (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Ishibashi, S.Moriyama, T.Fuse, T.Yamaguchi
  • 雑誌名: Physica E 35 ページ: 338-343
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum-Dot Nanodevices with Carbon Nanotubes (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Ishibashi, S.Moriyama, D.Tsuya, T.Fuse, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Vac. Sci. Technol. A 24 ページ: 1349-1355
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Pulse-excited current measurements in carbon nanotube quantum dots (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, T.Yamaguchi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: J. Phys. Conference Series 38 ページ: 9-12
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] One-Dimensional Shell Structures and Excitation Spectrum in Single-Wall Carbon Nanotube Quantum Dots (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 45 ページ: 3633-3637
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Carbon nanotubes as building blocks of quantum dots (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Ishibashi, S.Moriyama, T.Fuse, T.Yamaguchi
  • 雑誌名: Physica E35 ページ: 338-343
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum-Dot Nanodevices with Carbon Nanotubes (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Ishibashi, S.Moriyama, D.Tsuya, T.Fuse, M.Suzuki
  • 雑誌名: J. Vac. Sci. Technol A24 ページ: 1349-1355
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] One-Dimensional Shell Structures and Excitation Spectrum in Single-Wall Carbon Nanotube Quantum Dots (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 45 ページ: 3633-3637
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Excitation spectroscopy of two-electron shell structures in carbon nanotube quantum dots in magnetic fields (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 87
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Four-electron shell structures and an interacting two-electron system in carbon nanotube quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 94
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Resonant tunneling through edge states bounded around an antidot (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Arai, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica E 26 ページ: 469-472
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Importance of electron-electron interactions and Zeeman splitting in single-wall carbon nanotube quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica E 26 ページ: 473-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Excitation spectroscopy of two-electron shell structures in carbon nanotube quantum dots in magnetic fields (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 87
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Resonant tunneling through edge states bounded around an antidot (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Arai, E.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica E26 ページ: 469-472
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Importance of electron-electron interactions and Zeeman splitting in single-wall carbon nanotube quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica E26 ページ: 473-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Four-electron shell structures and an interacting two-electron system in carbon nanotube quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 94 ページ: 186806-186806
• [雑誌論文] Large spin injection into single-and multi-walled carbon nanotubes (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Ishiwata, H.Maki, D.Tsuya, M.Suzuki, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica Status Solidi(c) 2 ページ: 3137-3140
• [雑誌論文] Excitation spectroscopy of two-electron shell structures in carbon nanotube quantum dots in magnetic fields (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Moriyama, T.Fuse, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87 ページ: 73103-73103
• [雑誌論文] Carbon nanotube quantum dots fabricated on a GaAs/AlGaAs two-dimensional electron gas substrate (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Tsukamoto, S.Moriyama, D.Tsuya, M.Suzuki, T.Yamaguchi, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 98 ページ: 76106-76106
• [雑誌論文] On the realization of quantum computing devices with carbon nanotube quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Ishibashi, Y.Moriyama, T.Fuse
  • 雑誌名: IEICE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS E87C ページ: 1799-1803
  • NAID: 110003214794
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Two-electron and four-electron periodicity in single-wall carbon nanotube quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Fuse, S.Moriyama, Y.Aoyagi, M.Suzuki, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Superlattices and Microstructures 3 ページ: 377-382
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Local Change of Carbon Nanotube-Metal Contacts by Current Flow through Electrodes (2004)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Maki, Masaki Suzuki, Koji Ishibashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 43 ページ: 2027-2030
  • NAID: 10012949225
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Local Change of Carbon Nanotube-Metal Contacts by Current Flow through Electrodes (2004)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Maki, Masaki Suzuki, Koji Ishibashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 43 ページ: 2027-2030
  • NAID: 10012949225
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Two-electron and four-electron periodicity in single-wall carbon nanotube quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Fuse, S.Moriyama, Y.Aoyagi, M.Suzuki, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Superlattices and Microstructures 34 ページ: 377-382
• [雑誌論文] Carbon nanotubes as a building block of quantum dot devices (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Suzuki, U.Tsuya, S.Moriyarna, T.Fuse, Y.Aoyagi, K.Ishibashi
  • 雑誌名: Physica E 24 ページ: 10-13
• [文献書誌] T.Fuse, S.Moriyama, M.Suzuki, Y.Aoyagi, K.Ishibashi: "Observation of even-odd effect and fourfold degeneracy in single-wall carbon nanotube quantum dots"Superlattices and Microstructures. (掲載予定). (2004)
• [文献書誌] K.Ishibashi, M.Suzuki, D.Tsuya, Y.Aoyagi: "Fabrication of single electron transistors in multi-wall carbon nanotubes by using Ar beam irradiation"Microelectronic Engineering. (in press).