テラヘルツ電磁波による単一電子・スピン伝導ダイナミクスの制御と情報機能の創製

• 研究課題/領域番号: 26706002
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 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): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 22,360千円 (直接経費: 17,200千円、間接経費: 5,160千円); 2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2015年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円); 2014年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
• キーワード: テラヘルツ / 量子ドット / トランジスタ / テラヘルツ電磁波 / トンネル効果 / テラヘルツ/赤外材料・素子 / マイクロ・ナノデバイス / テラヘルツ波

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、テラヘルツ光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重点的に推進した。その結果、単一量子ドットのテラヘルツ分光手法を開発することに成功した。その上で、得られたスペクトルから単一量子ドットにおけるテラヘルツ照射下でのサブレベル間遷移の観測と、電子系の相互作用の解明に世界で初めて成功した。その他、単一分子系やクーパー対を用いた電子やスピンの量子状態の制御に関する知見も得ることに成功した。

研究成果

• [国際共同研究] Ecole Normale Superieure(France)
• [国際共同研究] Ecole Normale Superieure(France)
• [国際共同研究] ＥＴＨ, Ｚｕｒｉｃｈ(Switzerland)
• [国際共同研究] Ecole Normale Superieure(France)
• [雑誌論文] 並列二重量子ドットジョセフソン接合におけるクーパー対分離とスピンもつれ相関の検出 (2016)
  • 著者名/発表者名: ラッセル スチュワート ディーコン, 大岩 顕, ユルゲン ザイラー, 馬場翔二, 金井康, 柴田憲治, 平川一彦, 樽茶清悟
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 51 ページ: 287-293
  • NAID: 40020861548
• [雑誌論文] Excited-state charging energies in quantum dots investigated by terahertz photocurrent spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 23 ページ: 235313-235313
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.235313
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superconducting transport in single and parallel double InAs quantum dot Josephson junctions with Nb-based superconducting electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Baba, J. Sailer, R. S. Deacon, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 22 ページ: 222602-222602
  • DOI: 10.1063/1.4936888
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Terahertz Field Enhancement and Photon-Assisted Tunneling in Single-Molecule Transistors (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshida, K. Shibata, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 号: 13
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.138302
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Gate-controlled terahertz single electron photovoltaic effect in self-assembled InAs quantum dots (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 10
  • DOI: 10.1063/1.4930023
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] "Cooper pair splitting in parallel quantum dot Josephson junctions" (2015)
  • 著者名/発表者名: R.S. Deacon, A. Oiwa, J. Sailer, S. Baba, Y. Kanai, K. Shibata, K.Hirakawa, S. Tarucha
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: vol. 6, article no. 7446 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms8446
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Probing many-body quantum states in single InAs quantum dots: Terahertz and tunneling spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 91 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.241301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] “Terahertz intersublevel transitions in single self-assembled InAs quantum dots with variable electron numbers” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: vol. 15 号: 2 ページ: 1166-1170
  • DOI: 10.1021/nl5042319
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] “Cross-sectional transmission electron microscopy analysis of a single self-assembled quantum dot single electron transistor fabricated by atomic force microscope local oxidation” (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Moriya, E. Ikenaga, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Masubuchi, and T. Machida
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: vol. 53 号: 4 ページ: 045202-045202
  • DOI: 10.7567/jjap.53.045202
  • NAID: 210000143529
  • 査読あり
• [学会発表] 単一lnSb量子ドットトランジスタの作製と伝導特性の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 飯野裕貴、荒井啓朗、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 東北学院大学工学部
  • 年月日: 2017-03-04
• [学会発表] イオン液体を用いた金属量子ポイントコンタクトの電界変調 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤悠宇、伊井貴彦、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 東北学院大学工学部
  • 年月日: 2017-03-04
• [学会発表] イオン液体を用いた電気化学エッチングによる金属ナノ構造の微細化とその電界変調 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐々木秀隆、阿部千夏、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 東北学院大学工学部
  • 年月日: 2017-03-04
• [学会発表] Transport throught InSb self- assembled quantum dots coupled to nanogap metal electrodes (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, M. Ohmori, H. Sakaki and K. Hirakawa
  • 学会等名: 2016 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS16)
  • 発表場所: Kohara Coast, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-12-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノギャップ電極と結合した単一自己組織化InSb量子ドットにおける電気伝導特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、大森雅登、榊裕之、平川一彦
  • 学会等名: 応用物理学会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ、新潟
  • 年月日: 2016-09-15
• [学会発表] イオン液体を用いた金属量子ポイントコンタクトの伝導度の電界変調 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊井貴彦、佐藤寛史、大宮司圭介、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年度電気関係学会東北支部連合大会
  • 発表場所: 東北工業大学
  • 年月日: 2016-08-31
• [学会発表] Electric-field tuning of conductance in metal quantum point contacts (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida and K. Hirakawa
  • 学会等名: International conference on superlattices, nanostructures and nanodevices (ICSNN2016)
  • 発表場所: Hong Kong, China
  • 年月日: 2016-07-25
  • 国際学会
• [学会発表] 電気二重層ゲートを用いた金属量子ポイントコンタクトにおける伝導度の電界制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、吉田健治、平川一彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 強磁性電極と結合した単一InAs量子ドットトランジスタにおける磁気抵抗効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 早坂久輝、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 日本大学工学部
  • 年月日: 2016-03-01
• [学会発表] 量子ドットの付加による高移動度トランジスタの高機能化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 横川智志、渡辺達大、柴田憲治
  • 学会等名: 平成28年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 日本大学工学部
  • 年月日: 2016-03-01
• [学会発表] Terahertz single electron photovoltaic effect in self-assembled InAs quantum dots (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN2015)
  • 発表場所: Waikoloa, Hawaii
  • 年月日: 2015-11-29
  • 国際学会
• [学会発表] Electric-field control of quantum states in nanostructures by electric-double-layer gating (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN2015)
  • 発表場所: Waikoloa, Hawaii
  • 年月日: 2015-11-29
  • 国際学会
• [学会発表] 金属量子ポイントコンタクトにおける伝導度の電界制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、吉田健治、南谷俊樹、平川一彦
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] Electron magneto-tunneling through single self-assembled InAs quantum dashes coupled to ferromagnetic leads (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, N. Pascher, S. Schnez, T. Ihn, K. Ensslin, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17)
  • 発表場所: 仙台国際センター
  • 年月日: 2015-07-26
  • 国際学会
• [学会発表] Carrier dynamics in InAs QD transistors under THz radiation (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata
  • 学会等名: Seminar presentation at Eidgenössische Technische Hochschule (ETH)
  • 発表場所: Zurich, Switzerland
  • 年月日: 2015-07-03
  • 招待講演
• [学会発表] Electric-field control of conductance in metal point contacts by electric-double-layer gating (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida, T. Minamiya, K. Sato, and K. Hirakawa
  • 学会等名: The 19th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Salamanca, Spain
  • 年月日: 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, C. Ndebeka-Bandou, N. Nagai, K. Hirakawa
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2015-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] 単一InAs量子ドットを用いたトランジスタの特性評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大石善彦, 小野寺毅, 日野翼, 小野寺拓也, 今康幸, 柴田憲治
  • 学会等名: 平成27年東北地区若手研究者研究発表会
  • 発表場所: 日本大学工学部
  • 年月日: 2015-02-28
• [学会発表] Terahertz spectroscopy of single InAs quantum dots (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Hirakawa, Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard
  • 学会等名: The Fifth International Symposium on Terahertz Nanoscience (TeraNano V)
  • 発表場所: Martinique, France
  • 年月日: 2014-12-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 単一InAs量子ドットトランジスタにおける物理現象の解明とデバイス応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治
  • 学会等名: 第八回関東光科学若手研究会
  • 発表場所: 明治大学
  • 年月日: 2014-11-08
  • 招待講演
• [学会発表] Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Hirakawa, Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Ultrafast Phenomena and Terahertz Waves (ISUPTW 2014)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2014-10-13
  • 国際学会
• [学会発表] Terahertz intersublevel transitions in single self-assembled InAs quantum dots with variable electron numbers (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang、柴田憲治、長井奈緒美、C. Ndebeka-Bandou、G. Bastard、平川一彦
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-17
• [学会発表] ナノギャップ電極・単一量子ドット接合系におけるゲート変調効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、平川一彦
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2014-09-17
• [学会発表] Intersublevel transitions in single self-assembled InAs quantum dots (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, C. Ndebeka-Bandou, N. Nagai, K. Hirakawa
  • 学会等名: 41st International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS 2014)
  • 発表場所: Montpellier, France
  • 年月日: 2014-05-11
  • 国際学会
• [備考] http://www.eis.tohtech.ac.jp/~kshibata/index.html
• [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/~kshibata/index.html