単電子制御による量子標準・極限計測技術の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05258
• 研究機関: 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所
• 研究代表者: 藤原 聡 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 上席特別研究員 (70393759)
• 研究分担者: 山端 元音 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 特別研究員 (00751702) ; 金子 晋久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (30371032) ; 島田 宏 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (60216067)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• キーワード: 量子計測三角形 / 単電子 / 量子ホール / 量子電気標準

研究実績の概要

本年度は、コロナの影響で実験の進捗が限定的であったが、各担当チームにて量子計測三角形の高精度な実現に向けた要素技術の開発、昨年度から始まった共同実験の本格始動に向けた準備を進めた。
NTTでは、共同実験に向けて、変調バリア型の単電子転送素子のスクリーニングテストを実施した。また、高精度実現にむけた素子構造・動作条件の最適化のため、数値計算による単電子転送機構の解明を進め、量子ドット―転送ゲート間クロス結合について、最良の転送精度を与える最適条件が存在することを明らかにした。また、サブ10 GHzの高速動作で観測される電子励起などの非平衡電子ダイナミクスを理解するため、電子フォノン相互作用を考慮したモデル構築と数値計算を行い、電子の非平衡エネルギー分布が転送電流特性に影響を与えることを明らかにした。
産総研においては、量子計測三角形の測定系の要素技術の開発が終了した。具体的には、ジョセフソン電圧標準の希釈冷凍機への実装、特に温度制御と漏れ磁場対策を最適化した上での0.1 ppm以下での不確かさ評価を行った。また、シリコン単電子素子については、リレースイッチを用いた量子化電流の反転、動作最適化に向けた任意波形発生器信号による駆動テスト、素子並列化に向けた測定系の構築と実装を行った。また、１MΩ量子ホールを用いたGaAs単電子素子の電流精度評価を実施し（韓国KRISSとの共同実験）、0.3ppmの不確かさを実現した。
電通大においては、単一磁束量子回路を用いた高速単電子検出技術の開発を目指し、室温部への読み出し回路の特性評価と単一磁束量子パルスの読み取りへ向けた性能分析を行った。また、電流ミラーへの高誘電率誘電体薄膜の導入のために、原子層堆積法によるTiO2の成膜実験を進めた。

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

本年度は、コロナの影響で実験の進捗が限定的であった。　NTTにおいては、共同実験を本格的に進めるための、単電子素子のスクリーニングテストを進め、その一部を産総研に供出した。また、素子構造や動作条件の最適化を図るため、単電子転送機構のモデル構築と数値計算による最適条件の探索、サブ 10GHz動作で生ずる電子非平衡エネルギー分布を考慮したモデルの構築など理論的な検討を進めた。
産総研においては、ジョセフソ電圧標準の実装と温度制御等による高精度実現、Null測定を実現するための電流反転回路の開発と実装、量子ホールアレイを用いたGaAs単電子素子の高精度評価など、量子計三角形実験系を一つの冷凍機に搭載し高精度実験を行うための要素技術の開発がほぼ完了した。
電通大においても、単一磁束量子回路の読み出し技術の開発、原子層堆積法による高誘電率絶縁膜成膜技術の開発で進捗があった。
以上のように、コロナにより実験の進捗が限定的であったが、概ね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今年度は、量子計測三角形のサブppmレベルでの実証を目指し、産総研におけるＮＴＴの単電子転送素子の評価をさらに推進する。また、将来のさらなる高精度実験に向けて、要素技術の開発を各担当チームにて推進する。
ＮＴＴにおいては、昨年度に引き続き、単電子転送素子のスクリーニングテストを行い、産総研における精度評価の共同実験を推進する。また、高精度実験に有利となる単電子転送電流の高電流化に向けて、サブ10 ＧHz動作下における単電子ダイナミクス、特に励起、電子温度などに関連する非平衡熱力学過程を解明し、素子動作の最適化を図る。また、さらなる高精度化に向けて、熱平衡単電子捕獲領域に近づけるための補償パルス方式などの実証を試みる。
産総研では、昨年度までに量子計測三角形の測定系の要素技術の開発が終了した。具体的にはジョセフソン電圧標準の希釈冷凍機への実装と0.1 ppm以下での不確かさ評価、リレースイッチを用いた量子化電流の反転、単一電子素子並列化に向けた測定系の構築と実装を行った。今年度はそれらの協調・連携動作に取り組む。具体的には、昨年度ＮＴＴでテスト測定に成功した複数の単電子転送素子の並列動作と相互比較を行う。また本研究のカギとなる10 MΩ量子ホールアレイの作製プロセス最適化を行う。さらにマグネット励磁下でのジョセフソン電圧標準の動作検証、ジョセフソン電圧標準のトラッキング動作の検証・高周波化をおこない、量子計測三角形実現に向けて研究を進める。
電通大においては、単一磁束量子回路による超高速単電子検出技術の開発に向けて、昨年度低温での良好な動作を確認した回路技術を駆使し、単一磁束量子パルスの読み取りの実証を目指す。量子電流ミラーについては、昨年度に開発した原子層堆積法による高誘電率TiO2薄膜の形成技術を駆使し、強結合ミラー素子の作製と電流の高精度転写の実証を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] NPL/University of Cambridge(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: NPL/University of Cambridge
• [国際共同研究] VTT/Aalto University(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: VTT/Aalto University
• [国際共同研究] KRISS/KAIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KRISS/KAIST
• [国際共同研究] NIST(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NIST
• [雑誌論文] Low-Frequency Characteristics of Silicon-Based High-Current Multijunction Thermal Current Converters Fabricated by Wet Chemical Etching (2021)
  • 著者名/発表者名: Amagai Yasutaka、Cular Stefan、Hagmann Joseph A.、Lipe Thomas E.、Kaneko Nobu-Hisa
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 巻: 70 ページ: 1～7
  • DOI: 10.1109/TIM.2020.3043943
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-surface conduction in a highly bulk-resistive topological insulator Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2S using the Corbino geometry (2021)
  • 著者名/発表者名: Misawa Tetsuro、Nakamura Shuji、Okazaki Yuma、Fukuyama Yasuhiro、Nasaka Nariaki、Ezure Hiroki、Urano Chiharu、Kaneko Nobu-Hisa、Sasagawa Takao
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 ページ: 033102～033102
  • DOI: 10.1063/5.0026730
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale Tunnel Junctions and Metallic Single-Electron Transistors via Shadow Evaporation and In Situ Atomic Layer Deposition of Tunnel Barriers (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada Hiroshi、Koike Takehiro、Kikkawa Keisuke、Konno Hiroki、Ito Naoki、Kobayashi Ryusuke、Mizugaki Yoshinao、Kanomata Kensaku、Miura Masanori、Hirose Fumihiko
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 4 ページ: 1401～1410
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02937
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rescaling of applied oscillating voltages in small Josephson junctions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanyolo Godwill Mbiti、Shimada Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Physics Communications 巻: 4 ページ: 105007～105007
  • DOI: 10.1088/2399-6528/abbba5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooper-Pair Tunneling in Small Josephson Junction Arrays Under Radio-Frequency Irradiation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanyolo Godwill Mbiti、Takeda Kouichi、Mizugaki Yoshinao、Kato Takeo、Shimada Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 201 ページ: 269～284
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02486-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precision measurement of single-electron current with quantized Hall array resistance and Josephson voltage (2020)
  • 著者名/発表者名: Bae Myung-Ho、Chae Dong-Hun、Kim Mun-Seog、Kim Bum-Kyu、Park Suk-In、Song Jindong、Oe Takehiko、Kaneko Nobu-Hisa、Kim Nam、Kim Wan-Seop
  • 雑誌名: Metrologia 巻: 57 ページ: 065025～065025
  • DOI: 10.1088/1681-7575/abb6cf
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-accuracy compensation of radiative heat loss in Thomson coefficient measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: Amagai Y.、Shimazaki T.、Okawa K.、Kawae T.、Fujiki H.、Kaneko N.-H.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 063903～063903
  • DOI: 10.1063/5.0018593
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual-gate control of the surface carriers of the highly-bulk-resistive topological insulator Sn0.02Bi1.08Sb0.9Te2S (2020)
  • 著者名/発表者名: Misawa Tetsuro、Nakamura Shuji、Okazaki Yuma、Fukuyama Yasuhiro、Nasaka Nariaki、Ezure Hiroki、Urano Chiharu、Kaneko Nobu-Hisa、Sasagawa Takao
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 32 ページ: 405704～405704
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ab997e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Applications of Programmable Josephson Voltage Standard for AC Voltage Metrology (2020)
  • 著者名/発表者名: AMAGAI Yasutaka、MARUYAMA Michitaka、YAMAMORI Hirotake、SHIMAZAKI Takeshi、OKAWA Kenjiro、FUJIKI Hiroyuki、KANEKO Nobu-Hisa
  • 雑誌名: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan) 巻: 55 ページ: 420～427
  • DOI: 10.2221/jcsj.55.420
• [学会発表] 動的量子ドットを利用した単電子転送の精度最適点 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山端元音, Nathan Johnson, 藤原聡
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会オンライン開催, 2021年3月
• [学会発表] 単電子計数統計を用いたナノメートルスケールSi MOSFET中の熱電効果の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 知田健作, 藤原聡，西口克彦
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会，オンライン開催, 2021年3月
• [学会発表] Observation of single particle heat transport and cooling in a dynamic quantum dot (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Johnson, V. Kashcheyevs, A. Akmentins , G. Yamahata, and A. Fujiwara
  • 学会等名: Quantum Dot Day 2021 (Virtual Conference , Mar. 29, 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Fast Initialization Experiment of Superconducting Qubit Using SINIS (2021)
  • 著者名/発表者名: Teruaki Yoshioka, Shuji Nakamura, Nobu-Hisa Kaneko, and Jaw Shen Tsai
  • 学会等名: APS March Meeting 2021 March 15
  • 国際学会
• [学会発表] シリコン単電子デバイスを用いた極限エレクトロニス (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤原聡
  • 学会等名: 2020年第3回IEEE東京支部講演会 (2020年8月28日、IEEE 東京支部、オンライン)
  • 招待講演
• [学会発表] Fast electron dynamics in a silicon dynamic quantum dot (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Fujiwara, G. Yamahata, N. Johnson, S. Ryu, H-S. Sim, and M. Kataoka
  • 学会等名: Int. Workshop on Cool Electrons in Flatlands (CEF2020) (June 15-24, 2020, Catania, Italy, held as a virtual workshop)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nanometer-scale temperature measurement based on single-electron counting statistics in a nanowire Si MOSFET (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Chida, A. Fujiwara, and K. Nishiguchi
  • 学会等名: 29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2020), Osaka, Japan (Nov. 9-12, 2020, held as a virtual conference)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体Crx(Bi,Sb)2-xTe3における量子異常ホール効果の標準応用に向けた普遍性検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡崎雄馬, 大江武彦, 川村稔, 吉見龍太郎, 中村秀司, 高田真太郎, 茂木将孝, 高橋圭, 塚崎敦, 川崎雅司, 十倉好紀, 金子晋久
  • 学会等名: 日本物理学会２０２０年秋季大会, 2020年9月
• [学会発表] Study on the Cooper-pair transistor as a fast supercurrent switch (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Tanarom, and H. Shimada
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会, オンライン開催，2020年9月
• [学会発表] 原子層堆積法を援用した斜め蒸着法による単一電子素子の作製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小池威廣，今野寛己，水柿義直，三浦正範，鹿又健作，廣瀬文彦
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会, オンライン開催，2020年9月
• [学会発表] Directly Comparing the Current from Two Electron Pumps (2020)
  • 著者名/発表者名: S. P. Giblin, G. Yamahata, A. Fujiwara, P. See, J. P. Griffiths, G. A. C. Jones, I Farrer, D. A. Ritchie, and M. Kataoka
  • 学会等名: 2020 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2020) (Denver, August 24-28, 2020, held as a virtual conference)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Influence of Humidity on Voltage Output in a Prototype of Compact Detachable Zener Module (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Maruyama, C. Urano, N.-H. Kaneko, T. Kanai, E. Sannoumaru, J. Honjo, I. Tanaka, Y. Yoshino
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Voltage Tracking in Quantum-Metrology-Triangle Measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Matsumaru, J. Zhengsen, M. Maruyama, N.-H. Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Current-to-Voltage Conversion with Integrated Quantum Hall Resistors (2020)
  • 著者名/発表者名: Dong-Hun Chae, Mun-Seog Kim, Wan-Seop Kim, Takehiko Oe, Nobu-Hisa Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Pilot Study on Transport Behaviour of 100-Ω Standard Resistors for Use in APMP Key Comparisons (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuan Hoong Lim, Takehiko Oe, Sze Wey Chua, Nobu-Hisa Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of NMIJ Traveling Dual Source Bridge Using NIST Adapted Wheatstone Bridge (2020)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Oe, Shamith U. Payagala, Dean G. Jarrett, Nobu-Hisa Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Precise evaluation of GaAs/AlGaAs 129 kΩ and 1 MΩ quantum Hall array devices for a quantum Wheatstone bridge (2020)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Oe, Alireza R. Panna, Randolph E. Elmquist, Dean G. Jarrett, Yasuiro Fukuyama, Nobu-Hisa Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of High-Current Multijunction Thermal Current Converters on Silicon Substrates by Wet Chemical Etching (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasutaka Amagai, Stefan Cular, Joseph A. Hagmann, Thomas E. Lipe, Nobu-Hisa Kaneko
  • 学会等名: CPEM/NCSLI2020, Virtual Conference, Aug. 24, 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Toward a practical quantum current standard (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Kemppinen, E. Mykkanen, J. Lehtinen, A. Ronzani, A. Bera, K. Kohopaa, J. Govenius, P. Immonen, A. Manninen, M. Prunnila, S. Giblin, M. Kataoka, S. de Graaf, T. Hoenigl-Decrinis, R. Shaikhaidarov, G. Yamahata, A. Fujiwara, M. Jenei, and, M. Mottonen,
  • 学会等名: QTech2020 (Barcelona, Apr. 6-8, 2020)
  • 国際学会
• [備考] 本研究課題の紹介
  • URL: http://www.brl.ntt.co.jp/people/afuji/kakenS/
• [備考] NTT
  • URL: http://www.brl.ntt.co.jp/people/afuji/index-j.html
• [備考] 産総研
  • URL: https://unit.aist.go.jp/ripm/qelec-std/
• [備考] 電通大
  • URL: http://inaho.pc.uec.ac.jp/