量子計算への応用を目指した希薄ドープ半導体の超低温・高磁場での二重磁気共鳴測定（国際共同研究強化）

• 研究課題/領域番号: 16KK0098
• 研究種目: 国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 物性Ⅱ
• 研究機関: 福井大学
• 研究代表者: 藤井 裕 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 准教授 (40334809)
• 研究期間 (年度): 2017 – 2020
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
• キーワード: 電子スピン共鳴 / 核磁気共鳴 / 二重磁気共鳴 / 希薄ドープ半導体 / 希釈冷凍機 / 量子計算 / 動的核偏極 / 量子コンピュータ / 物性実験 / 磁気共鳴 / 磁性 / 半導体物性

研究成果の概要

スピンの量子性を用いた磁気共鳴型量子計算機の候補デバイスである、純良なシリコン結晶へ希薄にリンをドープした試料を舞台として、量子計算に必要とされる超低温・強磁場における電子と原子核のスピンの動的性質を調べる研究を、フィンランド、韓国との国際共同研究として行った。電子スピン共鳴(ESR)および核磁気共鳴(NMR)およびそれらを組み合わせた二重磁気共鳴測定により、電子スピンとリンおよびシリコン原子核スピンが係わる現象を明らかにするとともに、希薄なリン核スピンの直接観測に（純粋な磁気共鳴では世界で初めて）成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

主にフィンランドで行った電子スピン共鳴(ESR)測定では電子から見た核スピンダイナミクスを詳細に明らかにした。主に日本で行った核磁気共鳴(NMR)測定では量子ビットとなる核スピンを直接観測することに成功した。これらは今後の磁気共鳴型量子計算機の実現のために必要とされる、電子スピンおよび原子核スピンを支配する物理現象の基礎的理解を進めたことに加え、NMR信号直接観測により詳しい知見が得られる可能性をひらくものである。 技術的には、高磁場・超低温域でESRとNMRの両方の測定が高感度に行える装置の開発に成功したという意義がある。

研究成果

• [国際共同研究] 韓国科学技術院(韓国) (2018)
  • 年月日: 2018-03-12
• [国際共同研究] トゥルク大学(フィンランド) (2017)
• [雑誌論文] Development of an ESR/NMR Double-Magnetic-Resonance System for Use at Ultra-low Temperatures and in High Magnetic Fields and Its Use for Measurements of a Si Wafer Lightly Doped with 31P (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Yuya, Fujii Yutaka, Fukuda Akira, Koizumi Yuta, Omija Tsunehiro, Oida Tomoki, Yamamori Hidetomo, Matsubara Akira, Mitsudo Seitaro, Lee Soonchil, J¨arvinen Jarno, Vasiliev Sergey
  • 雑誌名: Applied Magnetic Resonance 巻: 52 号: 4 ページ: 305-315
  • DOI: 10.1007/s00723-021-01309-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic nuclear polarization and ESR hole burning in As doped silicon (2020)
  • 著者名/発表者名: Jarvinen J.、Zvezdov D.、Ahokas J.、Sheludiakov S.、Lehtonen L.、Vasiliev S.、Vlasenko L.、Ishikawa Y.、Fujii Y.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 号: 18 ページ: 10227-10237
  • DOI: 10.1039/c9cp06859g
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Recent developments in magnetic resonance applications in the far-infrared region in FIR-UF (2021)
  • 著者名/発表者名: Seitaro Mitsudo, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Tomoki Oida, Tomonori Sano, Yusuke Takahashi, Akira Fukuda, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev, Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a Millimeter-Wave ESR/NMR Double-Magnetic-Resonance Measurement System on 3He-4He Dilution Refrigerator and Its Use for Measurements of Shallow P-Doped Si (2021)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Tomoki Oida, Yusuke Takahashi, Akira Fukuda, Seitaro Mitsudo, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev, Soonchil Lee and Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of mmwave resistively-detected electron spin resonance system of two-dimensional electron gas in InSb quantum-well structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Fukuda, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Seitaro Mitsudo, Yoshiro Hirayama, Michael B. Santos
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a cylindrical resonator for millimeter-wave band ESR/NMR double magnetic resonance (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuya Ishikawa, Kanata Hayashi, Yutaka Fujii, Takenori Sato, Kazuki Dono, Kenta Ohya, Akira Fukuda, Seitaro Mitsudo, Jarno Jarvinen, Sergey Vasiliev
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Pulsed electron spin resonance spectrometer operating at 130 GHz with application to As doped silicon below 1 K temperatures (2021)
  • 著者名/発表者名: Jarno Jarvinen, Janne Ahokas, Sergey Vasiliev, Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization and Development of Flat NMR Coil for Millimeter-Wave Double Magnetic Resonance Measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Oida, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Seitaro Mitsudo, Konami Izumi, Eiichi Kobayashi, Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Nuclear Magnetic Resonance Study of Single Crystal of Spin-1/2 One-Dimensional Antiferromagnet D-F5PNN under Critical Magnetic Fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujii, T. Oida, T. Omija, T. Oura, Y. Ishikawa, K. Izumi, N. Sakai, K. Taguma
  • 学会等名: The 1st Asian Conference on Molecular Magnetism (ACMM)
  • 国際学会
• [学会発表] Millimeter-wave ESR measurements of spin-1/2 antiferromagnetic chain Cu(C4H4N2)(NO3)2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuya Ishikawa, Yutaka Fujii, Takayuki Asano, Tsunehiro Omija, Akira Fukuda, Mizue Asada, Toshikazu Nakamura, Kazuaki Iwasa, Seitaro Mitsudo, Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: The 1st Asian Conference on Molecular Magnetism (ACMM)
  • 国際学会
• [学会発表] 平面型RFコイル開発とそれを用いた超低温ESR/NMR二重磁気共鳴測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤井裕, 笈田智輝, 高橋佑輔, 石川裕也, 光藤誠太郎, 福田昭, 泉小波, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] S=1/2 二次元直方格子反強磁性体Ca2Cu(OH)4[B(OH)4]2のX-band ESR測定II (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也, 林哉汰, 浅野貴行, 山本孟, 木村宏之, 坂倉輝俊, 野田幸男, 原茂生, 藤井裕
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] ミリ波二重磁気共鳴測定に向けた平面型NMRコイルの最適化II (2020)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝, 藤井裕, 石川裕也, 光藤誠太郎, 泉小波, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 第七回西日本強磁場科学研究会
• [学会発表] S=1/2擬一次元反強磁性体Cu(C4H4N2)(NO3)2のESRスペクトルの極低温域における温度変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 裕，石川 裕也，笈田 智輝，浅野 貴行，古谷 峻介
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 超低温ミリ波ESR測定装置の感度改善 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 裕，笈田 智輝，石川 裕也，福田 昭，光藤 誠太郎
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] ミリ波二重磁気共鳴測定に向けた平面型NMRコイルの最適化II (2020)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝，藤井裕，石川裕也，光藤誠太郎，泉小波，小林英一，菊池彦光
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] DNP-NMR測定に向けた円筒型共振器によるESR測定II (2020)
  • 著者名/発表者名: 石川裕也、林哉汰、堂野壱暉、藤井裕
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] S=1/2反強磁性鎖モデルcopper pyrazine dinitrateにおける極低温域でのESRスペクトルの温度変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤井 裕，石川 裕也，笈田 智輝，浅野 貴行，古谷 峻介
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会年会(SEST2020)
• [学会発表] ミリ波二重磁気共鳴測定に向けた平面型NMRコイルの最適化II (2020)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝，藤井裕，石川裕也，光藤誠太郎，泉小波，小林英一，菊池彦光
  • 学会等名: 電子スピンサイエンス学会年会(SEST2020)
• [学会発表] Optimization of flat NMR coil for millimeter-wave double magnetic resonance measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Oida, Yutaka Fujii, Yuya Ishikawa, Seitaro Mitsudo, Konami Izumi, Eiichi Kobayashi, Shigeo Hara, Hikomitsu Kikuchi
  • 学会等名: 2020 XUT Annual Graduate Conference and International Academic Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 遠赤外ESR/NMR二重磁気共鳴測定のための平面型NMRコイルの製作と評価及びその展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝, 藤井裕, 石川裕也, 光藤誠太郎, 泉小波, 小林英一, 菊池彦光
  • 学会等名: 日本赤外線学会第29回研究発表会
• [学会発表] ESR/NMR二重磁気共鳴のための平面型コイルの最適化II (2020)
  • 著者名/発表者名: 笈田智輝、高橋佑輔、藤井裕、石川裕也、光藤誠太郎、泉小波、小林英一、原茂生、菊池彦光
  • 学会等名: 2020年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [学会発表] シミュレーションによるNMR用平面型meanderlineコイルの形状最適化の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋佑輔、笈田智輝、藤井裕、石川裕也、原茂生、光藤誠太郎
  • 学会等名: 2020年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [備考] 福井大学研究者総覧
  • URL: https://r-info.ad.u-fukui.ac.jp/Profiles/30/0002989/profile.html