| 研究課題/領域番号 |
20K04596
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
光藤 誠太郎 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (60261517)
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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 | パルスESR / ジャイロトロン / FID / ミリ波 / 自動計測 / 量子コンピューター / beyond 5G |
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| 研究実績の概要 |
量子コンピューターの候補として興味が持たれる, 希薄ドープの Si :P の測定では 個々の電子スピンが常磁性状態を維持するためにはPドープによる電子スピン数 10^17 spins/cc 以下である必要がある. 我々が開発を進めているミリ波帯のパルスESR装置で計測を行うには, いまだ一桁感度が足りない. そこで一桁の感度向上を達成するために NMRで行なわれているように信号のアベレージングを行うことを計画した. ただし, ここで問題になるのはジャイロトロンの発振器は, 位相制御されていないので, 測定ごとの位相はばらばらである. そのため単純に FID の中間周波数帯の検波信号を足し合わせても各々の信号が打ち消しあってしまう. そこで何度かフーリエ変換し, 周波数フィルタリングなどの信号処理を行い, FID のエンベロープを取り出しアベレージングを行う必要がある. 現在は各測定ごとに一つ一つのデータを人が手動で吟味し解析することで, アベレージングを行い SN の向上とそれに伴う感度の向上を確かめているが, この方法ではとても時間がかかり, また十分な SN の信号なのかをリアルタイムに検証できない. そこで, これまで手動で一つ一つ行っていた解析と平均化のプロセスに対してコンピューターによる自動化システムの開発を行い, 平均化等の統計的手法を効率的に用いることで, 少なくとも一桁の測定感度の向上を行うことを目指して開発を進めた. 本年度は、データ通信方法の変更を行い取り込みや解析の速度の改善がなされ, おおむね測定が最速5ヘルツで行われるのに対して3ヘルツ程度のデータ取り込みを達成し, 速度の改善がなされた.また感度の改善がなされより微小な資料の測定が可能となり, 線幅等の正確な測定が可能となった.
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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
今年度はこれまで手動で一つ一つ行っていた解析と平均化のプロセスに対してコンピューターによる自動化システムの開発を行い, 平均化等の統計的手法を効率的に用いることで, 少なくとも一桁の測定感度の向上を行うことを目指して開発を進めた. コロナ禍の影響で実験の実施に関しては当初予定していた実験回数の半分程度となったが, 幸い本年度の計画では, PCによる自動解析システムの開発とそれを用いた実際の測定を交互に行う計画であり, 入念なシステム開発と実験計画により狙っていた実験結果はおおむね達成することができた. 昨年問題になっていたデータ収集速度の改良にあたり、昨年はSci Labにより開発を行っていがPythonを用いることで, 速度の最適化が可能となり, データ転送速度や解析速度の向上がなされ, おおむね満足するデータ集積速度が達成された. PCによる自動解析とアベレージングによるSNの向上が達成されたので, より微小な信号の測定が可能となった. そこで試料サイズをだんだんと小さくし, 試料に及ぼす磁場の不均一から来る線幅の増大の様子を測定することに成功した. 本年度の目標はおおむね達成され, 開発のシナリオも大筋ではうまく進んでいるといえる状況である.
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに、アベレージングによる感度の向上を進め, S/N日の向上がなされ測定感度を向上することができた. そこで本年度は本研究の最終目標である量子コンピューターの候補として興味が持たれる, 希薄ドープの Si :P の測定を行う. 個々の電子スピンが常磁性状態を維持するためにはPドープによる電子スピン数 10^17 spins/cc 以下である必要がある. この測定を達成するために, 共鳴磁場やその他の条件がよくわかっており, これまで測定を行ってきたBDPAラジカルを希釈して, Si:Pと同程度のスピン数となる模擬試料を用いてまずは測定をスタートする. ここで測定可能となる条件を検討したうえで, Si:Pの測定を行い, そのFIDスペクトルの観測を行う.
これに加えてパルスESR法のもう一つの強みであるスピンの緩和時間の測定を行うためにハーンエコーを計測するためのπ/2, πパルスと呼ばれる二つのナノ秒パルス(ダブルパルス)発生の準備を進める. ダブルパルスの発生には現在用いている光駆動半導体スイッチをより複雑に組み合わせる必要がある. しかしこのスイッチへミリ波を入射する場合, 反射を抑えるためブリュースター角での入射が必要であるが, シリコンの場合73度とほぼ90度に近くシリコン面でのビーム断面がかなり広くなり, かなりのビームがシリコンからあふれてしまっている. そこで光駆動半導体スイッチを45度反射で使えるようにエタロン効果により反射波を精度良く干渉させて消すことができる二重ディスク構造のスイッチの開発を開始する. すでに電磁界計算ソフトであるCOMSOLを用いて-40dB程度のスイッチングが可能であるという計算結果を得ているので, 実際に高抵抗シリコンディスクを購入し, 試作検証を行う計画である.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度もコロナ禍が解消されたわけではないが, 当初の計画に比べ実験頻度が下がっているため, 必要な寒剤費に差額が生じた. 感染対策行いつつ昨年度実施できなかった実験を、次年度使用額をもちいて実験を行う. また国際情勢により実験に必要な寒剤であるヘリウム価格の高騰が起こっており, 当初の計画より寒剤代の増加は避けることができず, 幸いこれまでの差額でこの値上がり分を補って実験を行う. また国際会議が遠隔となって旅費が必要なくなり差額が生じている. 今年度は入国制限により航空運賃が高くなっており, これまでの差額経費で補って現地での発表や調査を行うか, これを実験に回すか, 状況を見て判断する予定である.
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