スピン変換研究に向けた電気的超高速局所スピンプローブの開発と応用

• 研究領域: ナノスピン変換科学
• 研究課題/領域番号: 17H05187
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東北大学 (2018); 国立研究開発法人理化学研究所 (2017)
• 研究代表者: 大塚 朋廣 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (50588019)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2018年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2017年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 量子ドット / 局所スピン状態 / ナノ・マイクロデバイス / マイクロ・ナノデバイス / メゾスコピック系 / 半導体物性

研究実績の概要

本研究では半導体量子ドット等の半導体ナノ構造を活用することにより、固体ナノ構造中の局所スピン状態およびその時間変化にアクセスできる電気的高速局所スピンプローブを開発し、これを用いて固体ナノ構造中の局所スピン現象を調べた。本年度は特に、電気的高速局所スピンプローブ手法の改良、およびこのスピンプローブを用いた固体ナノ構造中の局所スピン状態ダイナミクスの測定解析を中心に行った。
固体ナノ構造中でのスピン変換現象等をミクロに解明するためには、固体ナノ構造中の局所スピン状態に直接アクセスできる局所スピンプローブが有用となる。半導体量子ドット内にはスピンに依存した準位が存在し、この準位への電子のトンネルを調べることで、固体ナノ構造中の局所スピン状態を調べるプローブを実現することができる。またこのプローブを高周波測定技術と組み合わせることによって、ダイナミクスまで測定することが可能となる。この電気的高速局所スピンプローブを用いて、固体ナノ構造中の局所スピン状態およびそのダイナミクスを調べた。二次元電子ガスからなる電極と結合した半導体量子ドット中の電子スピンについて測定を行い、単一電子レベルで電荷状態とスピン状態の時間変化に差があることを明らかにした。この結果について、ミクロなモデルを構築して計算を行い、実験結果を再現することに成功した。また電気的高速局所スピンプローブの測定手法を活用することにより、他の固体ナノ構造中の局所スピン状態の観測と操作の研究についても貢献した。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ルール大学ボーフム(ドイツ)
• [国際共同研究] バーゼル大学(スイス)
• [国際共同研究] ニューヨーク州立大学バッファロー校/ミシガン大学(米国)
• [国際共同研究] ルール大学ボーフム(ドイツ)
• [国際共同研究] バーゼル大学(スイス)
• [雑誌論文] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot-lead coupled system (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 8 ページ: 85402-85402
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-orbit assisted spin funnels in DC transport through a physically defined pMOS double quantum dot (2019)
  • 著者名/発表者名: Marian Marx, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Yu Yamaoka, Takashi Nakajima, Sen Li, Akito Noiri, Tetsuo Kodera, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SB ページ: SBBI07-SBBI07
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab01d6
  • NAID: 210000155620
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum non-demolition measurement of an electron spin qubit (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Akito Noiri, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 未定 号: 6 ページ: 555-560
  • DOI: 10.1038/s41565-019-0426-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coherent transfer of electron spin correlations assisted by dephasing noise (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Akito Noiri, Kenta Takeda, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Xuedong Hu, Franco Nori, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 2133-2133
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04544-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Four single-spin Rabi oscillations in a quadruple quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 9 ページ: 93101-93101
  • DOI: 10.1063/1.5040280
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optimized electrical control of a Si/SiGe spin qubit in the presence of an induced frequency shift (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Takeda, J. Yoneda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Oda, T. Kodera and S. Tarucha
  • 雑誌名: npj Quantum Information 巻: 4 号: 1 ページ: 54-54
  • DOI: 10.1038/s41534-018-0105-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A fast quantum interface between different spin qubit encodings (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 5066-5066
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07522-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9% (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 号: 2 ページ: 102-106
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0014-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A triangular triple quantum dot with tunable tunnel couplings (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A、Kawasaki K、Otsuka T、Nakajima T、Yoneda J、Amaha S、Delbecq M R、Takeda K、Allison G、Ludwig A、Wieck A D、Tarucha S
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 巻: 32 号: 8 ページ: 084004-084004
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aa7596
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robust Single-Shot Spin Measurement with 99.5% Fidelity in a Quantum Dot Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Otsuka Tomohiro、Stano Peter、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Noiri Akito、Kawasaki Kento、Takeda Kenta、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Loss Daniel、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.017701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Higher-order spin and charge dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Stano Peter、Noiri Akito、Ito Takumi、Loss Daniel、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12217-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cotunneling spin blockade observed in a three-terminal triple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A.、Takakura T.、Obata T.、Otsuka T.、Nakajima T.、Yoneda J.、Tarucha S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 15 ページ: 155414-155414
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.155414
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Probing Spin Dynamics in Nanostructures Utilizing Quantum Dot Sensors (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: One-Day Symposium on Spintronic Properties of Graphene and Related 2D Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Determination of the direction of the spin-orbit field in a physically-defined p-type MOS silicon double quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: Marian Marx, Jun Yoneda, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Sen Li, Yu Yamaoka, Takashi Nakajima, Akito Noiri, Daniel Loss, Tetsuo Kodera, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Charge and Spin Dynamics in a Quantum Dot-Lead Hybrid System (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Frontiers of Quantum Transport in Nano Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Angle dependent spin-orbit interaction in a physically defined silicon double quan-tum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: Marian Marx, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Yu Yamaoka, Takashi Nakajima, Sen Li, Akito Noiri, Tetsuo Kodera, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Control fidelities in isotopically natural and enriched silicon quantum dot qubits (2018)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Akito Noiri, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Shunri Oda, Tetsuo Kodera, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent coupling between spin qubits of different codes (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent control of a spin qubit in a frequency-locked loop (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Kento Kawasaki, Akito Noiri, Jun Yoneda, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices
  • 国際学会
• [学会発表] 量子デバイスの高周波測定技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大塚朋廣
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamics of an open quantum system based on gated GaAs quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Sen Li, Tomohiro Otsuka, Giles Allison, Akito Noiri, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Different charge and spin dynamics in a quantum dot-lead coupled system (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A 99.9%-fidelity spin qubit in isotopically purified silicon with charge-noise-limited coherence (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A two-qubit entangling gate between spin qubits of different kinds (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum non-demolition readout of a single spin in a quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Kento Kawasaki, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancing coherence of a single electron spin with adaptive control (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Kento Kawasaki, Akito Noiri, Jun Yoneda, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Four single-spin rabi oscillations in a quadruple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave induced frequency shift and its quadrature compensation for Si/SiGe spin qubits (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Jun Kamioka, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Charge-noise-limited coherence and three-nines fidelity of an enriched Si/SiGe spin qubit (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] A controlled-phase gate between spin qubits of different kinds (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] An isotopically-enriched silicon spin qubit with >99.9% fidelity and charge-noise-limited coherence (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] Probing Dynamics of Local Electronic States in Nanostructures Utilizing Fast Quantum Dot Probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Peter Stano, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
  • 国際学会
• [備考] 研究成果報告用個人ページ
  • URL: http://ja.tomootsuka.net/
• [備考] 研究成果報告用個人ページ
  • URL: http://ja.tomootsuka.net