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

• 研究課題/領域番号: 17H02732
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: ナノ構造物理
• 研究機関: 東北工業大学
• 研究代表者: 柴田 憲治 東北工業大学, 工学部, 准教授 (00436578)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2018年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2017年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
• キーワード: 量子ドット / トランジスタ / テラヘルツ / 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

研究成果の概要

単一の自己組織化量子ドットを用いた量子情報処理デバイスにおいて、１つの電子やスピン、光子に情報機能を持たせるための研究をおこなった。特に本研究では、テラヘルツ電磁波を用いた単一電荷やスピン状態の動的な制御による新規物性の開拓と情報機能の実現に関する研究を推進するための研究を実施した。テラヘルツ電磁波による単一スピンの高速回転を実現するために、強いスピン軌道相互作用を有するInAsやInSb、GaSbなどのⅢ－Ⅴ族化合物半導体を用いた単一量子ドットトランジスタの作製に関する研究を行うと同時に、その量子状態の検出のために用いる高感度電荷検出器の実現に関する研究を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

単一の自己組織化量子ドットを用いた量子情報処理デバイスにおいて、１つの電子やスピン、光子に情報機能を持たせるための研究をおこなった。特に、テラヘルツ光による単一スピンの高速回転を実現するために、強いスピン軌道相互作用を有するInAsやInSb、GaSbなどの半導体を用いた単一量子ドットトランジスタの作製に関する研究を行うと同時に、その量子状態の検出のために用いる高感度電荷検出器の実現に関する研究を行った。
本研究の成果は、テラヘルツ光による高速な単一電荷・スピン・フォノンの制御とそれによる情報機能の創製を行う試みであり、未開拓の周波数帯であるテラヘルツ帯での量子情報処理への貢献が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] Northern Illinois University(米国)
• [雑誌論文] Magnetotransport of electrically induced two-dimensional hole gases in undoped GaSb quantum wells (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shibata, Matija Karalic, Christopher Mittag, Thomas Tschirky, Christian Reichl, Hiromu Ito, Katsushi Hashimoto, Toru Tomimatsu, Yoshiro Hirayama, Werner Wegscheider, Thomas Ihn, and Klaus Ensslin
  • 雑誌名: Phys. Rev. Research 巻: 2 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033383
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electric-field-induced two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum wells (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, M. Karalic, C. Mittag, T. Tschirky, C. Reichl, H. Ito, K. Hashimoto, T. Tomimatsu, Y. Hirayama, W. Wegscheider, T. Ihn, K. Ensslin
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 114 号: 23 ページ: 232102-232102
  • DOI: 10.1063/1.5093133
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gate-tunable electronic transport in p-type GaSb quantum wells (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Karalic, C. Mittag, M. Hug, T. Tschirky, W. Wegscheider, K. Ensslin, T. Ihn, K. Shibata, and R. Winkler
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.115435
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electric-field control of conductance in metal quantum point contacts by electric-double-layer gating (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida, K. Daiguji, H. Sato, T. Ii, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 巻: 111 号: 15 ページ: 153104-153104
  • DOI: 10.1063/1.4995318
  • 査読あり
• [学会発表] トップゲート構造を有する単一InSb量子ドットトランジスタの作製と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小野寺碧、夏目大成、柴田憲治
  • 学会等名: 令和3年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 金属ナノ接合の微細化と伝導度のゲート変調 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木尚人、斎藤大我、柴田憲治
  • 学会等名: 令和3年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] C60フラーレンを用いた単一分子トランジスタの作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木和希、細川玲央、柴田憲治
  • 学会等名: 令和3年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 電荷検出器への応用に向けた金属ナノ接合の微細化と伝導特性制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、佐々木尚人、斉藤大我、大塚朋廣、平川一彦
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Electric-field-induced two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum wells (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] 単一InSb量子ドットトランジスタの作製と伝導特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小野拓夢、小川善嵩、柴田憲治
  • 学会等名: 令和２年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 強磁性Niナノ接合の微細化とトンネル磁気抵抗の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗村滉、木村冬威、柴田憲治
  • 学会等名: 令和２年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 高感度電荷検出器への応用に向けた金属ナノ接合の微細化と伝導特性制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 門脇智也、佐々木聖哉、柴田憲治
  • 学会等名: 令和２年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 通電断線によるPtナノ接合の作製とその伝導度の電界変調 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐々木聖哉、小野拓夢、小川善嵩、柴田憲治
  • 学会等名: 令和２年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] Electric-field-induced two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum wells (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 21st International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (Edison 21)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Two-dimensional hole transport in undoped GaSb quantum well (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019 (HQS 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] ノンドープGaSb量子井戸における2次元ホール系の輸送特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤煕, 柴田憲治, M. Karalic, C. Mittag, T. Tschirky, C. Reichl, W. Wegscheider, T. Ihn, and K. Ensslin
  • 学会等名: 第66回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] GaSb量子井戸における二次元ホール系の磁場中輸送特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治, M. Karalic, C. Mittag, 伊藤煕, Z. Lei, T. Tschirky, C. Reichl, 橋本克之, 冨松透, 平山祥郎, W. Wegscheider, T. Ihn, K. Ensslin
  • 学会等名: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [学会発表] 単一InAs量子ドットトランジスタの磁場中電気伝導 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菊地竜太郎、斎藤康平、柴田憲治
  • 学会等名: 平成３１年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] 電気化学反応を用いた金属ナノ接合の微細化と伝導度の電界変調 (2019)
  • 著者名/発表者名: 箱崎涼、佐々木聡、柴田憲治
  • 学会等名: 平成３１年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] ノンドープGaSb量子井戸における低温磁場中ホール伝導 (2019)
  • 著者名/発表者名: 加藤春樹、伊藤熙、柴田憲治
  • 学会等名: 平成３１年東北地区若手研究者研究発表会
• [学会発表] Magnetotransport of two-dimensional hole gas in undoped GaSb quantum well (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, M. Karalic, C. Mittag, Z. Lei, T. Tschirky, C. Reichl, W. Wegscheider, T. Ihn, and K. Ensslin
  • 学会等名: 20th International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Hole transport in p-type GaSb quantum wells (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Karalic, M. Hug, C. Mittag, Z. Lei, K. Shibata, T. Tschirky, W. Wegscheider, T. Ihn, K. Ensslin
  • 学会等名: 34th International conference on the physics of semiconductors (ICPS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Electron transport through single self-assembled InSb quantum dots coupled to nanogap metal electrodes (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, M. Ohmori, K. Nagase, H. Sakaki, Y. Hirayama, and K. Hirakawa
  • 学会等名: The 44th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2017)
  • 国際学会
• [備考] 東北工業大学 工学部 電気電子工学科 柴田研究室ホームページ
  • URL: http://www.eis.tohtech.ac.jp/~kshibata/index.html
• [備考] 東北工業大学 工学部 電気電子工学科 柴田研究室ホームページ
  • URL: http://www.eis.tohtech.ac.jp/study/labs/shibata/
• [備考] 東北工業大学 工学部 電気電子工学科 柴田研究室 ホームページ
  • URL: http://www.eis.tohtech.ac.jp/study/labs/shibata/
• [備考] 東北工業大学 柴田研究室 ホームページ
  • URL: http://www.eis.tohtech.ac.jp/study/labs/shibata/