シリコン量子ドット中のスピン状態に関する高速読み出し技術の開発と物理の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16F16806
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
• 研究分担者: TYLAITE EGLE 東京工業大学, 工学院, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2016-11-07 – 2019-03-31
• キーワード: 量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ / 正孔

研究実績の概要

本研究の目的は、スピン状態を高速に読み出す技術を開発し、シリコン量子ドット中のスピンコヒーレンスの物理を解明することにある。本研究により、スピン軌道相互作用の大きさを定量的に評価し、さらに電場や磁場に対するスピン軌道相互作用の大きさやスピン緩和時間の依存性を得ることを目指している。
具体的には、MOS構造を利用したpチャネルの量子ドットを作製し、高速読み出しに使用する単正孔トランジスタを量子ドットの近傍に配置する。またスピンを高速に読み出すためのRF反射法を利用した測定系を構築し、既存のnチャネル量子ドットと対比させながら、新たに作製したpチャネル量子ドットにおけるスピンコヒーレンスに関わる物理を明らかにしていく。
本年度は、研究実施計画に沿い、作製した素子の評価を進めると同時に、測定系の構築を進め、RF反射法による測定を開始した。
２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定や、単正孔トランジスタによる電荷センシング測定に成功した。２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定では、スピンブロッケード現象を観測した。スピンブロッケード状態でわずかに流れるリーク電流の磁場依存性から、スピン軌道相互作用によってスピン緩和が起きていることを示唆する振る舞いが得られた。また、そのリーク電流の磁場依存性が、上部電極の電圧によって変調されることを観測した。電界によってスピン軌道相互作用を制御できている可能性がある。今後、スピン緩和時間やデコヒーレンス要因について調べることを目指し、RF反射法を用いた測定データの取得を行うことができた。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] 日立ケンブリッジ研究所(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: 日立ケンブリッジ研究所
• [国際共同研究] デルフト工科大学(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: デルフト工科大学
• [雑誌論文] Fabrication and characterization of physically defined quantum dots on a boron-doped silicon-on-insulator substrate (2018)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Seiya、Shimatani Naoki、Kobayashi Mizuki、Makino Takaomi、Yamaoka Yu、Kodera Tetsuo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 04FK03～04FK03
  • DOI: doi.org/10.7567/JJAP.57.04FK03
  • 査読あり
• [雑誌論文] A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9% (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoneda Jun、Takeda Kenta、Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Allison Giles、Honda Takumu、Kodera Tetsuo、Oda Shunri、Hoshi Yusuke、Usami Noritaka、Itoh Kohei M.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 ページ: 102～106
  • DOI: doi:10.1038/s41565-017-0014-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge sensing and spin-related transport property of p-channel silicon quantum dots (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamaoka Yu、Iwasaki Kazuma、Oda Shunri、Kodera Tetsuo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 04CK07～04CK07
  • DOI: doi.org/10.7567/JJAP.56.04CK07
  • 査読あり
• [学会発表] Physically-defined two silicon double quantum dots coupled electrostatically toward integrated quantum bits (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kodera, Y. Lu S. Oda
  • 学会等名: Cambridge Summit 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコン量子ドットにおける２スピン同時検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 米田淳, 武田健太, 野入亮人, 中島峻, 大塚朋廣, Sen Li, 小寺哲夫, 樽茶清悟
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] Measurement of spin funnels in a physically-defined pMOS silicon double quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Marx, J. Yoneda, T. Otsuka, K. Takeda, Y. Yamaoka, T. Nakajima, S. Li, A. Noiri, T. Kodera and S. Tarucha
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 高濃度にボロンドーピングしたSOI基板を用いた量子ドットの作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 溝口 聖也、島谷 直樹、小林 瑞基、牧野 貴臣、山岡 裕、小寺 哲夫
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] p型シリコン量子ドットにおけるg因子のトップゲート電圧依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 島谷 直樹、山岡 裕、小寺 哲夫
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 物理的に形成したp型シリコン二重量子ドットの特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林 瑞基、Tylaite Egle、島谷 直樹、山岡 裕、小寺 哲夫
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Silicon Quantum Dot Devices for Spin Quantum Bits (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kodera
  • 学会等名: 2nd Global Congress & Expo on Materials Science and Nanoscience
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication and characterization of p-type heavily doped quantum dots (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Mizoguchi, Y. Yamaoka, T. Makino, N. Shimatani, and T. Kodera
  • 学会等名: 2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2017)
  • 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: J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh and S. Tarucha
  • 学会等名: 3rd Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] Physically-defined p-channel silicon double quantum dots with a charge sensor (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, E. Tylaite, N. Shimatani, Y. Yamaoka, and T. Kodera
  • 学会等名: 3rd Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 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: J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave induced frequency shift and its quadrature compensation for Si/SiGe spin qubit (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Takeda, J. Yoneda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, J.Kamioka, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Hole transport properties in physically defined silicon quantum dots operating at 25 K (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Shimatani, Y. Yamaoka, R. Ishihara, A. Andreev, D. A. Williams, S. Oda, T. Kodera
  • 学会等名: The 22nd International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Transport Through Si QDs in Coulomb Blockade Regime: Theory and Experiment (2017)
  • 著者名/発表者名: A Andreev, T-Y Yang, M F Gonzalez-Zalba, Y Yamaoka, T Ferrus, S Oda, T Kodera and D A Williams
  • 学会等名: International Workshop on Computational Nanotechnology
  • 国際学会
• [学会発表] 同位体制御Si/SiGe単一電子スピンの1/f電荷揺らぎによる位相雑音 (2017)
  • 著者名/発表者名: 米田淳, 武田健太, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, 本田拓夢, 小寺哲夫, 小田俊理, 星裕介, 宇佐美徳隆, 伊藤公平, 樽茶清悟
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] シリコン量子コンピュータに向けた基盤技術開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小寺 哲夫
  • 学会等名: 電子情報通信学会８月度シリコン材料・デバイス研究会
  • 招待講演
• [備考] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100574609
• [備考] 東京工業大学 小寺研究室
  • URL: http://www.quantum.ee.e.titech.ac.jp/