| 研究課題/領域番号 |
20K03812
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
鍜治 怜奈 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40640751)
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| 研究分担者 |
足立 智 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10221722)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 核スピン / 半導体 / スピンノイズ分光 |
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| 研究実績の概要 |
スピンノイズ・核磁気共鳴 (SNS-NMR)法の開発と，核四極子相互作用 (QI)チューニングの実証に向けて，以下の3項目に取り組んだ：
1) 稼働中の時間分解カー回転測定系を用いて，半導体試料 (n-doped GaAs，AlGaAs等)の電子g因子やスピン緩和時間を評価すると共に，光学系に改良を加え，全光NMR (NMR遷移と信号検出を光のみで行う分光手法)を実施した．全光NMRは本研究課題で目指すSNS-NMRの要素技術であり，次年度以降の作業を進める上で大きな助けとなる．
2)「核磁場揺らぎ」に起因する興味深い現象として，核スピン分極の2重双安定現象（2つのヒステリシスループが発現）の理解を深めた．これにより，核磁場揺らぎが電子スピン緩和に与える影響の大きさを再発見すると共に，3重安定状態の利用可能性など電子・核スピン結合系の新たな展望についても議論を膨らませることができた．本件について，3件の学会発表 (内1件は国際会議)と1件の論文発表を行い，成果の周知に努めた．
3) 半導体エピ膜のナノピラー加工や電極蒸着など，歪み印加デバイス作製の要素技術を習得した．現在は，半導体試料と圧電素子の圧着条件を模索している．また，外部歪みが半導体中のスピン（電子・正孔・原子核）に与える影響を理論的に吟味した．特に正孔は，歪みによるバンド混合のため複雑な状態変化を示すことが知られているが，我々は実効的なg因子と発光の偏光度に注目して計算を行い，正孔スピン制御の可能性を検討した (学会発表済み)．今後は電子や原子核スピンに対する考察を深めるが，今回作成した計算コードでは試料の結晶方位を自在に選べるように設定しているため，半導体試料の選定にも役立つと期待される．
上記3点に加え，SNS測定系の構築にも着手し基礎的な動作確認を行ったが，半導体試料での信号取得は次年度の課題とした．
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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年度の前半は，感染症拡大の情勢を受けて，在宅でも遂行できるデバイスや光学系の設計に加え理論計算が主となったが，核スピン分極の2重双安定現象および外部歪みによるスピン変調の理解を深めることができた．これらの知見は，令和3年度以降に予定している研究項目を進める上で，極めて有用である．また，年度の後半から本格的に開始した実験では，測定試料の基礎物性パラメータの収集が概ね完了したことに加え，カー回転信号の検出感度の向上および全光NMRの実施にも成功している．特に，光学系を改良した結果，MHz帯 (NMR遷移が観られる周波数域)の光強度変調の発生が可能となったことで，以降の実験を円滑に進めることができると考えられる．歪み印加デバイスの作製も概ね，当初の予定通り進んでいる．
年度始めに目標としていたSNS信号の検出は叶わなかったものの，令和3年度以降で活用できる知見を多く得ることができたことから，「おおむね順調に進展している。」と判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
まずは，早急にSNS測定系の最終動作確認を行い，半導体バルク結晶での信号検出を目指す．試料としてn-doped GaAs（バンド端波長：819 nm）およびAlGaAs（バンド端波長：720 nm）を使用し，測定条件（励起光エネルギー，光強度，外部磁場強度，測定温度など）を精査する．信号検出の可否が，本研究で目指すSNS-NMR実証の鍵であるため，令和3年度は本項目を重点的に推し進める．また， NMR法との融合も重要課題であるため，全光NMRの検出感度の向上，および波形制御法の改良は継続して行う．
QIチューニングの実証に向けて，歪み印加デバイスの作製を継続して行う．圧電素子の選定およびナノ加工技術の習得は概ね完了しており，以降の作業工程を進める上での技術的な問題は発生しない．圧電素子としてPMN-PT単結晶を用いるが，歪みの効果を吟味するために面方位 (001) [面内に二軸歪みが発生] と(011) [面内に一軸歪みが発生] の2種類について試作品を用意する．現在は，電極を蒸着した圧電素子の上にナノピラー化した半導体試料を分散し，上面から熱圧着する方法を採用している．この方法でも，ある程度の歪み印加が可能であることは確認しているが，更なる効果を得るために，試料表面をHSQでスピンコートする方法や，電極中に直接埋め込む方法など，異なるアプローチにも挑戦する．また，歪みによるスピン変調の調査として，正孔スピンに対してはある程度の理解が得られたため，現在学術誌への投稿準備を進めているが，今後は電子や核スピン系に焦点を絞った議論を展開する予定である．
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