| 研究課題/領域番号 |
17K18751
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| キーワード | フォノニック結晶共振器 / 電子フォノン結合系 / 量子ナノデバイス |
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| 研究実績の概要 |
本研究「フォノニック結晶共振器による電子フォノン結合系」では、人為的に作製したフォノニック結晶によりフォノン分散関係を変調することや、フォノンを狭い空間に閉じ込めたフォノン共振器構造を用いることにより、電子格子相互作用を積極的に活用し、コヒーレントに結合した電子フォノン結合系を創生することを目的として研究を進めている。具体的には、AlGaAs/GaAs変調ドープヘテロ構造などの半導体表面に、人工的に設計された金属周期構造を作製することにより、表面フォノン（表面弾性波）を用いたフォノニック結晶を作製する。人工的に設計されたフォノン分散関係、人為的な欠陥によるフォノン共振器中に、二次元・一次元・零次元の低次元電子系を作り込むことにより、フォノンと電子の結合系を実現し、電子系の輸送特性やフォノンの伝搬特性などを評価することにより、電子フォノン結合系の研究を進めている。
令和２年度は以下の研究を進めた。[1]二重量子ドットとフォノン共振器の結合状態を観測するために、フォノン場を量子ドットに集中するためのフォーカシング共振器構造の研究を進めた。 [2]表面弾性波と量子ホール系の結合により、フォノン輸送に非相反現象が現れる可能性について検討を進めた。十分な結合強度を得るため、共振モードの定在波と量子ホールエッジチャネルの位置関係を調整できる素子の設計を進め、電子線リソグラフィーによる素子の試作を行った。[3]表面弾性波ポテンシャルの進行波を用いて、量子ホール状態にある電子系の単一電荷輸送の可能性について検討を進めた。コルビノ型の試料を用いることで、単一電荷輸送による微小電流を検出できる素子を設計し、電子線リソグラフィーによる素子の試作を行った。[4]量子ホールエッジにホットエレクトロンを注入することによるフォノン散乱についての研究を進めた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和２年度は、COVID-19の影響により実験研究の進行が遅れがちである。４月からの緊急事態宣言により、研究室での実験研究が大きく制限され、オンラインでのディスカッション中心の研究を余儀なくされた。７月ぐらいから段階的に解消されるようになったものの、環境の変化に対応できない学生もいる中で、実験研究を軌道に載せる必要があった。９月以降に素子作製や低温測定などの実験が可能となり、下記の成果を得るに至った。
[1]二重量子ドットとフォノン共振器の結合状態を観測するためのフォーカシング共振器構造を目指して、フォーカシングトランスデューサーの試作・評価を行った。GaAsの異方性を考慮した素子の設計を行い、フォーカシング型と一般的な（フォーカスのない）平面波型のトランスデューサーとを比較することとした。電子線リソグラファーによってGaAs上に金属パターンを形成し、高周波の反射スペクトルから、電気信号から表面弾性波フォノンへの変換特性を評価した。得られた反射共振信号は良好であり、フォーカシングが機能している可能性が高い。さらに、フォノン集中の効果を測定するための素子構造の設計を進めた。
[2]表面弾性波と量子ホールエッジチャネル結合系をつくるための素子設計と試作を行った。共振モードの定在波と量子ホールエッジチャネルの位置関係を調整できる試料構造を設計し、電子線リソグラフィーによる素子の試作を行った。
[3]表面弾性波ポテンシャルの進行波を用いて、量子ホール状態にある電子系の単一電荷輸送の可能性について検討を進めた。コルビノ型の試料を用いることで、単一電荷輸送による微小電流を検出できる素子を設計し、電子線リソグラフィーによる素子の試作を行った。[4]量子ホールエッジにホットエレクトロンを注入することによるフォノン散乱についての研究を進めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和２年度の結果をもとに、フォノニック結晶共振器による電子フォノン結合系の研究を進める。以下の各テーマについて、半導体素子の設計、半導体ナノリソグラフィーによる素子作製、極低温での高周波実験による表面弾性波測定によって行う予定である。
［１］GaAs上のTi薄膜やTi/Au薄膜を用いたフォノン共振器構造・フォーカシング共振器構造について検討・試作を続ける。特に、フォノン場のフォーカシング特性を直接的に測定するための素子構造として、局所的なポテンシャルを時間分解で測定する手法を採用して、素子の設計・作製を行い、フォーカシング共振器の特性を評価する。さらに、弱結合領域で期待される電子フォノン結合系に関する研究を進める。
［２］表面弾性波と量子ホール系の結合により、フォノン輸送に非相反現象の観測を目指す。令和２年度に試作した試料の評価を行い、低温での電子輸送特性によって、結合強度などの特性を明らかにする計画である。
［３］表面弾性波と量子ホール系の結合により、表面弾性波周波数で同期された単一電子・単一正孔の輸送実験を行う。量子ホール系では、離散化されたランダウ準位に電子が占有しているため、従来の無磁場の単一電子輸送と異なる特性が期待できる。例えば、量子ホール状態にあるバルクの電子は伝導・遮蔽に寄与しないため、比較的弱い表面弾性波ポテンシャルによって電荷輸送が可能になるなどの特徴が見込まれ、温度上昇を抑えた環境で多彩な実験が可能になると考えられる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和２年度は、COVID-19の影響により、実験研究が停滞していた時期があり、予算に余裕が生じた。令和３年度は、表面弾性波共振器・フォーカシング型共振器の設計・製作のための材料費、電子ビーム露光や電子顕微鏡の利用料、希釈冷凍機の測定系の改良、液体ヘリウム購入の費用に充てる。
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