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磁性体スピントロニクスに基づく色中心エンジニアリング

研究課題

研究課題/領域番号 20J14418
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分29010:応用物性関連
研究機関東北大学

研究代表者

篠崎 基矢  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード磁気トンネル接合 / スピントロニクス / 非線形応答 / 半導体量子ドット / 高周波反射測定法 / ベイズの定理 / パラメトリック増幅器
研究開始時の研究の概要

様々な原理で動作する量子ビットに共通して言えることは、量子状態の検出手法・感度の向上が必須という点である。
例えばNVセンターでは光による検出を行っているが応用を考える上では電気的な検出手法が好ましい。熱や光、振動を電気信号に変換することはスピントロニクスの最も得意とする分野の一つである。
また、半導体量子ビットでは検出感度向上のために既製品の低ノイズアンプやジョセフソン接合を用いたパラメトリックアンプ等が用いられている。一方、近年スピントロニクスデバイスによる増幅素子も実証されている。
これらに対しスピントロニクスデバイスや原理に基づく新たな解の選択肢を提供する。

研究実績の概要

磁気トンネル接合(MTJ)の非線形輸送特性について詳細に調べた。非線形性の原因の一つとして知られる非弾性トンネル効果については、磁性体由来の寄与も数多く報告されており、分光学的観点から精力的に研究が行われてきた。一方で非線形なIV特性を低バイアス領域付近で級数展開的に解析しその係数である非線形コンダクタンスに特徴づけることで定量的評価を行った実験的報告はごく僅かである。
そこで直径15~100nmの垂直容易軸を有するMTJにおいて非線形コンダクタンスの観点から非線形輸送特性の評価を行った。2次の非線形コンダクタンスG2については、素子直径Dの減少に従い増大する傾向が観測された。この傾向は、MTJ素子のエッジ部におけるバンド構造の非対称性を考慮することで説明することができた。こうしたエッジ部における非対称性の起源としては微細加工プロセスの影響が考えられ、別途測定した強磁性共鳴の結果からも同じ結論が得られた。
また、3次の非線形コンダクタンスG3については、G3とG1の間に非自明な負の相関関係が観測され、これはスピンフリップを考慮したトンネルコンダクタンスモデルを仮定することで定性的に説明することができた。こうしたスピンフリップの要因としてはマグノンの生成・消滅が考えられ、この描像は従来研究されてきた分光学的観点からの考察と一致する。またG3とG2の間には正の相関が見られ、マグノンの影響に加えて微細加工プロセスの影響がG3にも寄与している可能性が示唆された。
以上、外因的寄与として微細加工プロセス、内因的寄与としてマグノン生成・消滅がTMR比低下の要因となる非線形輸送特性を生じさせることを明らかにした。また、こうした非線形コンダクタンスの振る舞いを明らかにしたことで、スピン依存伝導が顕著な系における非平衡物理研究への展開も期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] ロレーヌ大学(フランス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Gate voltage dependence of noise distribution in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots2021

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki Motoya、Muto Yui、Kitada Takahito、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Noiri Akito、Ito Takumi、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo、Otsuka Tomohiro
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 号: 3 ページ: 035002-035002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abe41f

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Probing edge condition of nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions by spin-wave resonance2020

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki M.、Dohi T.、Igarashi J.、Llandro J.、Fukami S.、Sato H.、Ohno H.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 117 号: 20 ページ: 202404-202404

    • DOI

      10.1063/5.0020591

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 機械学習と前処理によるノイズ耐性のある量子ドット電荷状態推定2022

    • 著者名/発表者名
      武藤由依, 中曽拓, 相澤拓海, 篠崎基矢, 北田孝仁, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 兼村厚範, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] GaN FET の電流コラプス下における量子ドット形成2022

    • 著者名/発表者名
      阿部峰也, 篠崎基矢, 相澤拓海, 熊坂武志, 伊藤範和, 田中岳利, 中原健, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高周波反射測定による量子ドットQCA状態電荷遷移の実時間観測2022

    • 著者名/発表者名
      相澤拓海, 篠崎基矢, 藤原義弘, 熊坂武志, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 微細CoFeB/MgO磁気トンネル接合における非線形電子輸送特性2022

    • 著者名/発表者名
      篠崎基矢, 五十嵐純太, 岩切秀一, 北田孝仁, 早川佳祐, 陣内佛霖, 大塚朋廣, 深見俊輔, 小林研介, 大野英男
    • 学会等名
      日本物理学会2022年春季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Noise analysis of radio-frequency reflectometry for single spin and charge detection in quantum dots2021

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Otsuka, Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
    • 学会等名
      1st Online RIEC International Workshop on Spintronics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Error rate analysis of charge sensing in quantum dots by Bayesian approach2021

    • 著者名/発表者名
      Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and International Joint Graduate Program in Materials Science
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] GaN FETにおけるマイクロ波依存伝導の観測2021

    • 著者名/発表者名
      阿部峰也, 篠崎基矢, 相澤拓海, 熊坂武志, 伊藤範和, 田中岳利, 中原健, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] CVDグラフェンナノリボンにおける単一量子ドット形成2021

    • 著者名/発表者名
      北田孝仁, 阿部峰也, 瀬尾瑞樹, 佐藤尚郁, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 武藤由依, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2021年春季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Quantum Dots in plasma CVD Graphene Nanoribbons2021

    • 著者名/発表者名
      Takahito Kitada, Mizuki Seo, Takaya Abe, Motoya Shinozaki, Naohumi Sato, Takumi Aizawa, Yui Muto, Toshiro Kaneko, Toshiaki Kato and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach2021

    • 著者名/発表者名
      Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Readout noise in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots2021

    • 著者名/発表者名
      Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] CVDグラフェンナノリボンにおける量子ドット形成2020

    • 著者名/発表者名
      北田孝仁, 阿部峰也, 篠﨑基矢, 瀬尾瑞樹, 金子俊郎, 加藤俊顕, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ベイズ手法による量子ドット電荷状態推定のノイズ依存性2020

    • 著者名/発表者名
      武藤由依, 篠﨑基矢, 北田孝仁, 永安修也, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, Sen Li, 伊藤匠, 樽茶清悟, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 量子ドット高周波反射測定のノイズ解析2020

    • 著者名/発表者名
      篠﨑基矢, 武藤由依, 北田孝仁, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習による量子ドットの電荷状態推定2020

    • 著者名/発表者名
      中曽拓, 篠﨑基矢, 相澤拓海, 北田孝仁, 武藤由依, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 伊藤匠, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 樽茶清悟, 兼村厚範, 大塚朋廣
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Noise analysis of radio-frequency reflectometry in quantum dots2020

    • 著者名/発表者名
      Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Noise dependence of the charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach2020

    • 著者名/発表者名
      Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha, and Tomohiro Otsuka
    • 学会等名
      第10回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の研修会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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