| 研究領域 | ハイブリッド量子科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
15H05867
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
石橋 幸治 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (30211048)
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| 研究分担者 |
大野 雄高 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10324451)
平山 祥郎 東北大学, 理学研究科, 教授 (20393754)
神田 晶申 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30281637)
小林 慶裕 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30393739)
川村 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 専任研究員 (60391926)
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| 研究期間 (年度) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| キーワード | スピン / 電荷 / 核スピン / 超伝導 / 量子ハイブリッド構造 |
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| 研究実績の概要 |
１）抵抗検出NMRとナノプローブによる交流電界核スピン操作を組み合わせることで核スピン特性を二次元マッピングできる顕微鏡を開発し、量子ホール効果のブレークダウン状態を利用してナイトシフト分布を計測することに成功した。また、量子ポイントコンタクト（QPC）では１T以下の低磁場でもQPCの抵抗傑出NMRが可能になる条件を見つけた。
２）電子スピンと共振器中の光子の単一量子レベルでの相互作用に関して、2重量子ドットの結合の強さが異なる場合の電荷と光子の量子的相互作用の詳細を明らかにすることができた。電荷のコヒーレンスが光子と電荷の結合の強さよりも小さいため、コヒーレントな結合を実現することができなかった。
３）フォトングループとの共同研究により、NVセンターを含むナノダイヤモンド薄膜を用いた電子デバイスのオペランド計測を論文成果とすることができた。
４）グラフェンのひずみ効果を用いたバンドギャップ形成では、電気伝導測定ではグラフェンのバンドギャップ形成は確認されなかった。また、微小層状超伝導体薄膜の量子渦糸状態制御では、ミクロンサイズの正方形NbSe2における単一渦糸侵入を独自の微小トンネル接合法を用いて観測することに成功し、従来のアルミニウム正方形とは異なる渦糸侵入の特徴を見出した。
５）核スピンを持つ13CをCNT/グラフェン格子中に制御して導入する合成技術や量子計測に適した超低欠陥ナノカーボン材料の超高温プロセス合成を試みた。
６）強磁性トポロジカル絶縁体薄膜の磁化方向を回転することにより、量子異常ホール効果状態から通常絶縁体へのトポロジカル数の変化を伴った量子相転移を観測した。ホール抵抗の温度依存性を測定し、その結果から相転移の臨界指数を実験的に決定した。Ge/Siナノワイアホール系の量子化コンダクタンスを調べることにより、マヨラナゼロモードに必要なヘリカル状態の形成が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
１）電子スピンと共振器中の光子の相互作用に関して、電荷と光子のコヒーレントな結合を実現することができなかったが、単一電荷・光子れべるでの量子的相互作用を実現できたことは大きい。さらに、これは量子ドットのバイアス状態を変えることで改善できる見通しがついたことは大きな進展である。
２）GaAsやInSbのQPCの研究、さらにQPCをベースにした高感度抵抗検出NMRについて研究が順調に進捗している。また、希釈冷凍機温度で動作するナノプローブを用いた核スピン情報の二次元マッピングにも成功した。この装置は走査ゲート顕微鏡としても有用で当初予定を超えた展開が期待される。
３）NVセンターのスピン状態の電気的読み出し/書き込みを実現するため、NVセンター/カーボンナノチューブハイブリッド構造形成プロセスの構築を進め、孤立した極浅NVセンターの形成プロセスの確立とその電荷制御を実現するとともに、極浅NVセンター上に単一カーボンナノチューブデバイスを作製し、その電気的特性を確認した。フォトン班との連携により、実際にナノチューブとＮＶセンターのハイブリッド化が実現できたことは計画以上の成果である。
４）グラフェンやナノチューブを用いたハイブリッド構造の作製技術に関しては、13C導入に際する制御性が向上させることができたことは大きい。グラフェンのひずみ効果については、自己組織化膜を使った独自の方法ではバンドギャップが見られないことが判明した。
５）磁性トポロジカル絶縁体での量子異常ホール効果においてほっぴん伝導機構を明らかにし、磁化方向制御による量子相転移現象を観測した。また、Ge/Siナノワイアのホールでヘリカル状態に起因すると思われるコンダクタンスの量子化を観測できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
１）GaAsQPCでの低磁場での抵抗検出NMRの成功を受けて、QPC物性、特に0.7構造の解明を進める。また、InSb系でも高品質QPCを完成させ、InSbQPCのRDNMRにも挑戦する。さらに、QPC物性のナノプローブ計測も推進する。二次元系における電子スピン、核スピン相互作用の研究、ブリッジ上にQPCを配置した構造におけるフォノン、スピン、核スピンの量子結合の研究も継続して完成を目指す。
２）トポロジカル絶縁体と超伝導体のハイブリッド構造に形成されるじはずのマヨラナモードをマイクロ波スぺクトロスコピーにより直接検出を目指す。量子異常ホール効果状態における端チャネル伝導と非局所抵抗の関係を解明する。特に磁化反転時に生じる大きな非局所抵抗と端チャネル伝導の関係を明らかにする。
３）NVセンター/カーボンナノチューブハイブリッド構造において、フォトングループと共同で高感度計測を可能とし、スピン状態の電気的読み出しと書き込みの実証を進める。
４）グラフェンのひずみ効果については、ひずみの周期性向上を目指す。渦糸制御については、NbSe2試料について、超伝導ギャップ観測のためのトンネルバリア最適化を行う。これと平行して、渦糸の侵入・排出、渦糸配置、渦糸状態制御の実験を行う。
５）超高温合成ナノチューブの評価、１３Ｃを導入したナノチューブ・グラフェンの電子・フォノン輸送への影響を明らかにすることにより、核スピン、フォノン、電荷のハイブリッド化を実現する。
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