国際単位系改訂に向けた電気素量の絶対測定と高速超精密電流測定への展開

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06090
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 中村 秀司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 物理計測標準研究部門, 主任研究員 (70613991)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 超伝導 / 単電子素子 / 二重量子ドット / 量子ドット電荷計 / 量子電流標準

研究実績の概要

本研究目的は。量子電流標準の実現とその応用技術としての高速超精密電流計測技術の確立である。具体的には「単電子転送による量子化電流発生の高精度化」「単電子素子を用いた単電子計数技術の高性能化」「FPGA・任意波形生成等を用いた単電子制御技術の確立」を行っている。
本年度は、「超伝導ターンスタイル素子の磁場による安定化」「二重量子ドット・量子ドット電荷計複合デバイスによる単電子転送の実時間測定」を行い、以下の成果を挙げた。まず「超伝導ターンスタイル素子の磁場による安定化」に関して、超伝導電極と常伝導島電極を持つ素子を用いた単一電子転送のエラーが磁場によって抑制されることを実験的に見出した。さらにこのエラーが、超伝導電極と常伝導島電極の界面における準粒子の蓄積によること、界面における準粒子の蓄積が逆近接効果によるものであること、磁場によるエラー低減が超伝導体中に導入された渦糸由来であること等を理論的に示した。また「二重量子ドット・量子ドット電荷計複合デバイスによる単電子転送の実時間測定」に関しては、GaAs二次元電子系上に二重量子ドットを作製し、電気伝導度測定から二重量子ドットに特徴的な伝導ターンを測定した。また二重量子ドットを静電的に結合した量子ドット電荷計に流れる電流、もしくは量子ドット電荷計に印加したマイクロ波の反射強度を測定することで二重量子ドットの電荷状態を読み出すことに成功した。
今後は二重量子ドットを用いたターンスタイル動作とマイクロ波による実時間測定を行う。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究目的は、「単電子転送による量子化電流発生の高精度化」「単電子素子を用いた単電子計数技術の高性能化」「FPGA・任意波形生成等を用いた単電子制御技術の確立」である。現在、「単電子転送による量子化電流発生の高精度化」と「単電子素子を用いた単電子計数技術の高性能化」に関しては上記の通りおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今後は「二重量子ドット・量子ドット電荷計複合デバイスによる単電子転送の実時間測定」の研究をさらに推し進めていく。具体的には、二重量子ドットを用いた単一電子転送とその実時間測定を行い、エラーを実時間で読み出すことをめざす。さらにこの実時間測定によるエラー検出とFPGA・任意波形発生技術などのマイクロ波技術を組み合わせることでエラーのフィードバック補正を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Lancaster University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Lancaster University
• [国際共同研究] Aalto University(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: Aalto University
• [国際共同研究] Vienna University of Technology(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Vienna University of Technology
• [国際共同研究] Niels Bohr Institute(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Niels Bohr Institute
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Interplay of the inverse proximity effect and magnetic field in out-of-equilibrium single-electron devices (2017)
  • 著者名/発表者名: Shuji Nakamura, Yuri A. Pashkin, Mathieu Taupin, Ville F. Maisi, Ivan M. Khaymovich, Alexander S. Mel’nikov, Joonas T. Peltonen, Jukka P. Pekola, Yuma Okazaki, Satoshi Kashiwaya, Shiro Kawabata, Andrey S. Vasenko, Jaw-Shen Tsai, and Nobu-hisa Kaneko
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low-noise and wide-bandwidth current readout at lowtemperatures using a Superconducting-quantum-interferencedevice amplifier (2017)
  • 著者名/発表者名: Ngoc Thanh Mai Tran, Yuma Okazaki, Shuji Nakamura, Massimo Ortolan and Nobu-Hisa Kaneko
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 04CK10
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.04CK10
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Preparation and characterization of Sn-BSTS topological insulator for universality test of the quantum Hall effect (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsuro Misawa, Yasuhiro Fukuyama, Yuma Okazaki, Shuji Nakamura, Nariaki Nasaka,Takao Sasagawa, and Nobu-Hisa Kaneko
  • 雑誌名: IEEE Instrumentation and Measurement 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A review of Quantum Current Standards (2016)
  • 著者名/発表者名: N.H.Kaneko, S.Nakamura, Y. Okazaki
  • 雑誌名: Review of Measurement Science and Technology 巻: 27 ページ: 032001
  • DOI: 10.1088/0957-0233/27/3/032001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 単一電子制御による交流電流波形の生成と計測応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡崎雄馬, 中村秀司, 小野満恒二, 佐々木智, 金子晋久
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2017-03-18
• [学会発表] 単電子計数とフィードバック制御による単電子源安定化の試み (2017)
  • 著者名/発表者名: 則元将太, 中村秀司, 岡崎雄馬, 小林研介, 金子晋久
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 高周波反射・透過測定を用いた単一電子ポンプの実時間測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村秀司, 岡崎勇馬, 金子晋久
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] 超伝導量子干渉素子を用いた希釈冷凍機における微小電流計測 (2016)
  • 著者名/発表者名: Ngoc Thanh Mai TranA, 岡崎雄馬, 中村秀司, 金子晋久
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Three electrical quantities and their quantum mechanical representation (2016)
  • 著者名/発表者名: Shuji Nakamura and Nobu-hisa Kaneko
  • 学会等名: EMN Quantum Meeting
  • 発表場所: Phuket, Thai
  • 年月日: 2016-04-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考]
  • URL: https://www.sites.google.com/site/shujinakamuraaist/
• [備考]
  • URL: https://unit.aist.go.jp/ripm/qelec-std/e2_00.html