強磁性体ナノウィンドウによる色中心スピン対のもつれ制御

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02178
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 金井 駿 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (40734546)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 量子ビット / 固体中のスピン中心 / 酸化物 / 位相緩和時間 / 量子コヒーレンス

研究実績の概要

固体中のスピン量子ビットの大規模化のための材料探索を行った。材料選定は次の観点から行った。
(1)材料が優れた量子コヒーレンス時間を有する
(2)高度なリソグラフィ技術を利用可能である
(3)高品質なワイドギャップ単結晶材料が入手可能である。
(4)材料規模の大規模化の観点から比較的大口径ウェハが入手可能である。
まず、クラスタ相関展開近似に基づく一般化スケーリング則を導出し、ウェブ上の材料構造データベースから12,000以上の材料について位相緩和時間を求めた。この材料は、第一原理計算でバンドギャップが1 eV以上であり、安定状態にあることがわかっているものに限っている。これらの材料の中から、同位体制御なしで位相緩和時間が1 ms以上の材料が約800材料存在することを明らかにした。そのほとんどがカルコゲナイドまたは酸化物であり、7割程度が酸化物である。これらの中で、商業的に大口径ウェハが入手可能な基板材料を用い、イオン注入後により、実際に孤立欠陥中心を作製することに成功した。熱処理条件を調べる事により、イオン注入後の元素が適切なイオン価数になり、かつクラスタなどの非孤立中心を形成しないような条件を明らかにした。共焦点顕微系を構築し、偏光レーザーによる光学検出磁気共鳴測定系を構築した。偏光レーザーを入射した際の偏光フォトルミネッセンス測定から、スピン状態に依存した発光を観測することに成功した。これは新たな欠陥中心材料のスピン量子状態の光学的初期化に成功したことを意味する。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] シカゴ大学/アルゴンヌ国立研究所(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: シカゴ大学/アルゴンヌ国立研究所
• [雑誌論文] Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuma, Takeuchi Yutaro, Yamane Yuta, Yoon Ju-Young, Kanai Shun, Ieda Jun’ichi, Ohno Hideo, Fukami Shunsuke
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 ページ: 122404(1)-(6)
  • DOI: 10.1063/5.0135709
  • 査読あり
• [雑誌論文] A full-stack view of probabilistic computing with p-bits: devices, architectures and algorithms (2023)
  • 著者名/発表者名: Chowdhury Shuvro, Grimaldi Andrea, Aadit Navid Anjum, Niazi Shaila, Mohseni Masoud, Kanai Shun, Ohno Hideo, Fukami Shunsuke, Theogarajan Luke, Finocchio Giovanni, Datta Supriyo, Camsari Kerem Y.
  • 雑誌名: IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1109/JXCDC.2023.3256981
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] External-Field-Robust Stochastic Magnetic Tunnel Junctions Using a Free Layer with Synthetic Antiferromagnetic Coupling (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Keito, Hayakawa Keisuke, Igarashi Junta, Borders William A., Kanai Shun, Ohno Hideo, Fukami Shunsuke
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 18 ページ: 054085(1)-(9)
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.054085
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Local bifurcation with spin-transfer torque in superparamagnetic tunnel junctions (2022)
  • 著者名/発表者名: Funatsu Takuya, Kanai Shun, Ieda Jun’ichi, Fukami Shunsuke, Ohno Hideo
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 4079(1)-(8)
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31788-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of domain structure in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films by magneto-optical Kerr effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Uchimura Tomohiro, Yoon Ju-Young, Sato Yuma, Takeuchi Yutaro, Kanai Shun, Takechi Ryota, Kishi Keisuke, Yamane Yuta, DuttaGupta Samik, Ieda Jun'ichi, Ohno Hideo, Fukami Shunsuke
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 120 ページ: 172405(1)-(5)
  • DOI: 10.1063/5.0089355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized scaling of spin qubit coherence in over 12,000 host materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanai Shun, Heremans F. Joseph, Seo Hosung, Wolfowicz Gary, Anderson Christopher P., Sullivan Sean E., Onizhuk Mykyta, Galli Giulia, Awschalom David D., Ohno Hideo
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: e2121808119
  • DOI: 10.1073/pnas.2121808119
  • 査読あり
• [学会発表] Device physics of stochastic magnetic tunnel junction (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai
  • 学会等名: 2nd Online RIEC International Workshop on Spintronics, Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterogeneous probabilistic computers for optimization and sampling (2023)
  • 著者名/発表者名: N. A. Aadit, A. Grimaldi, K. Selcuk, K. Kobayashi, Q. Cao, S. Chowdhury, G. Finocchio, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, and K. Y. Camsari
  • 学会等名: 2nd Online RIEC International Workshop on Spintronics, Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring qubit host materials based on generalized scaling of spin coherence (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai
  • 学会等名: International Workshop of Spin and Quantum Devices and Materials, Sendai, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CMOS + stochastic MTJ: Heterogeneous probabilistic computers for optimization and sampling (2023)
  • 著者名/発表者名: N. A. Aadit, A. Grimaldi, K. Selcuk, K. Kobayashi, Q. Cao, S. Chowdhury, G. Finocchio, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, and K. Y. Camsari
  • 学会等名: The 11th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer (BFBC2023), Tohoku University, Sendai, Japan + Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CMOS+ stochastic MTJ: Heterogeneous p-computers for energy-based machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, Q. Cao, N. Singh, K. Selcuk, T. Hu, S. Niazi, N. Aadit, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami, and K. Camsari
  • 学会等名: APS March Meeting 2023, Las Vegas, NV, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Determining switching exponents with stochastic magnetic tunnel junctions (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, T. Funatsu, J. Ieda, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: APS March Meeting 2023, Las Vegas, NV, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Sputter-deposited non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films with controlled crystal orientation (2023)
  • 著者名/発表者名: J.-Y. Yoon, Y. Takeuchi, R. Itoh, S. Kanai, S. Fukami, H. Ohno
  • 学会等名: 第70回応用物理学会秋季学術講演会, 上智大学四谷キャンパス（東京都千代田区）＋online
  • 招待講演
• [学会発表] Optical properties of MgO implanted with Ce and Li with different annealing conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Kawahara, Y. Abe, S. Kanai, J. Ishihara, Y. Aoki, M. Kohda, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 第70回応用物理学会秋季学術講演会, 上智大学四谷キャンパス（東京都千代田区）＋online
• [学会発表] Temperature dependence of relaxation time of superparamagnetic tunnel junctions (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Kaneko, R. Ota, K. Kobayashi, S. Kanai, H. Ohno, and S. Fukami,
  • 学会等名: 第70回応用物理学会秋季学術講演会, 上智大学四谷キャンパス（東京都千代田区）＋online
• [学会発表] Stochasticity and Bifurcation in Spintronics Device for Probabilistic Computing (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, T. Funatsu, J. Ieda, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022), Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experiment and theory of superparamagnetic tunnel junction (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai
  • 学会等名: IMEC academy symposium, Leuven, Belgium＋Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chiral-spin rotation of antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn by spin-orbit torque (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, R. Itoh, R. Takechi, K. Kishi, S. DuttaGupta, S. Kanai, B. Jinnai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • 学会等名: Advanced Technology Institute (ATI) 2nd spintronics workshop, Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental evaluation of simulated quantum annealing with MTJ-augmented p-bits (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Grimaldi, K. Selcuk, N. A. Aadit, K. Kobayashi, Q. Cao, S. Chowdhury, G. Finocchio, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami and K. Y. Camsari
  • 学会等名: 68th Annual IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM2022), San Francisco, USA + Online
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal stability of non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, S. Kanai, J. Yoon, J. Ieda, H. Ohno and S. Fukami
  • 学会等名: The 67th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Minneapolis, USA + Online
  • 国際学会
• [学会発表] Annealing temperature dependence of optical properties of Ce doped SiO2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Abe, S. Kanai, M. Kawahara, J. Ishihara, Y. Narita, M. Kohda, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Size dependence of thermal stability factor in non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn nanodot (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J.-Y. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Thickness dependence of anomalous Hall effect in non-collinear antiferromagnetic D019-Mn3Sn epitaxial thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Wakabayashi, Y. Takeuchi, J. -Y. Yoon, Y. Sato, K. Kishi, T. Uchimura, Y. Yamane, S. Kanai, J. Ieda , H. Ohno, and S. Fukami
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Insensitivity to the bias voltage in double-free-layer stochastic magnetic tunnel junction (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Ota, K. Kobayashi, K. Hayakawa, S. Kanai, K. Y. Camsari, H. Ohno, and S. Fukami
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Domain imaging of an antiferromagnetic Weyl semimetal Mn3Sn thin films by magneto-optical Kerr effect (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Uchimura, J.-Y. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yaman, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, and S. Fukami
  • 学会等名: The 6th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Electric-field induced collective spin dynamics in nanomagnet revealed by 30-ps single-shot measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: Trends in MAGnetism 2022, Venice, Italy
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Agitation of Magnetization Dynamics Induced by Electric-field (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno
  • 学会等名: 2022 Joint European Magnetic Symposia (JEMS), Warsaw, Poland + Online
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic Field Immunity of Stochastic Magnetic Tunnel Junctions with Synthetic Antiferromagnetic Free Layer (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, K. Hayakawa, J. Igarashi, W. A. Borders, S. Kanai, H. Ohno, S. Fukami
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022), Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)
  • 国際学会
• [学会発表] Memristor controlled mutual synchronization of spin Hall nano-oscillators (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Akerman, M. Zahedinejad, A. A. Awad, H. Fulara, S. Muralidhar, A. Houshang, R. Khymyn, S. Fukami, S. Kanai, H. Ohno
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022), Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)
  • 国際学会
• [学会発表] Magneto-optical Kerr effect study for non-collinear antiferromagnetic Mn3Sn thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Uchimura, J. Yoon, Y. Sato, Y. Takeuchi, S. Kanai, R. Takechi, K. Kishi, Y. Yamane, S. DuttaGupta, J. Ieda, H. Ohno, S. Fukami
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022), Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal Effect in Electric-field Induced Magnetization Dynamics in a Nanoscale Magnetic Tunnel Junction (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Kanai, Y. Nakatani, F. Matsukura, H. Ohno
  • 学会等名: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2022), Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)
  • 国際学会
• [学会発表] Dot size dependence of thermal stability in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, Y. Takeuchi, Y. Yamane, J. Yoon, S. Kanai, J. Ieda, H. Ohno and S. Fukami
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会, 東北大学（仙台）＋online
• [学会発表] Stochastic magnetic tunnel junctions with double free layers (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Ota, K. Kobayashi, K. Hayakawa, S. Kanai, K. Camsari, H. Ohno and S. Fukami
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会, 東北大学（仙台）＋online
• [備考] 東北大学 電気通信研究所 深見・金井研究室
  • URL: http://www.spin.riec.tohoku.ac.jp/index.html