| 研究課題/領域番号 |
23241046
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| 研究機関 | 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所 |
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研究代表者 |
山口 浩司 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 上席特別研究員 (60374071)
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| 研究分担者 |
岡本 創 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 研究主任 (20350465)
小野満 恒二 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (30350466)
IMRAN Mahboob 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (80417097)
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| 研究期間 (年度) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | ナノマシン / マイクロマシン / マイクロ・ナノデバイス / 電子デバイス・機器 |
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| 研究概要 |
昨年度、研究が大きく進捗したパラメトリック機械共振器の研究がさらに進展し、異なる振動モード間で強結合を行うことに成功した。強結合が実現すれば、異なるモード間で情報を交換することが可能となり、また、従来の課題であった機械共振器の高速動作に関しても、コヒーレントな振動制御を行うことにより道が開ける。この結果は Nature Physics誌に掲載された。また、結合機械振動子においても同様の強結合を確認し、さらにはパルスポンプ電圧の印加により、古典的ラビ振動ともいえるコヒーレント振動を観測することに成功した。さらに、この強結合を引き起こすメカニズムを理論的に解明した結果が New Journal of Physics誌に掲載された。
一方、３つのモードをパラメトリックに結合することにより、超音波に対するレーザであるフォノンレーザの動作を実証した。この成果はPhy. Rev. Lett. 誌に掲載され、日刊工業新聞に報道された。 一方、光と機械構造の結合動作に関しても、大きな進展が見られた。新しく設計したGaAs/AlGaAsヘテロ構造を用いて、半導体の励起子吸収を機械的な振動により検出する新しい手法を開拓し、APL誌に掲載された。この成果は反響を呼び、Nature Photonics誌のNews and Viewsで紹介された。
一方、新しい機械共振器構造に関しても進展をみた。代表的なもののひとつはメンブレン共振器であり、そのユニークなモード対称性を用いて論理動作を実証した。さらに最近ではこれらを連結した構造を作成し、スイッチ動作を実証することに成功した。動的なフォノニック結晶素子を実現する基板技術として重要である。
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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
まず、当初目標であったナノ機械ロジックシステムの高速化・高集積化に向けた基盤技術については、３つの大きな進展があった。一つはパラメトリック強結合の実現（Nature Physics 2012 掲載）と、それによる振動子の高速制御手法の提案（Applied Physics Express 誌掲載）である。この成果は、これまで振動子の高いＱ値で制限されてきたナノ機械共振器の動作を格段に高速化させる可能性を有する。二つ目は、結合振動子を用いた振動の時間軸制御である（Nature Physics 2013掲載予定）。この成果も、振動子の高速振動制御技術としての応用が期待される。三つめはメンブレン形状の機械共振器による、多数の機械素子の複合動作である(Applied Physics Letters 誌)。メンブレン形状の共振器では隣り合う共振器間の結合が容易であり、さらにはこれまで進展してきたパラメトリック共振器としてのアクティブ素子の機能が活用でき、多数の機械素子の集積化に向けた重要技術となる。
また、パラメトリック周波数変換によるフォノンレージングに関しては、すでにその動作を実証しており、当初の目的を達成している。（Phys. Rev. Lett. 誌掲載）もうひとつのシングルショット単電荷検出については、現在化合物半導体ベースの量子ナノ構造と結合させる実験を進めており、量子ナノ構造に閉じ込められた電子の出入りを検出できる可能性が高まっている。
また、当初の計画にはなかった大きな進展として、半導体の励起子吸収を機械的な振動により検出する新しい手法を開拓した。機械振動とレーザー光の非線形性結合を利用した新しい半導体評価技術として期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
H24年度までに得られた、①パラメトリック振動子を用いた振動モード間の強結合、ならびに、②メンブレン共振器による集積機械振動子、の二つの成果を組み合わせることにより、今後本研究は大きく進展する可能性がある。この点に着目し、まずメンブレン共振器を１００以上集積した構造を用い、その複合動作による素子間の振動情報の伝搬を目指す。さらに、パラメトリック増幅という能動素子としての機能を加え、このような振動情報伝搬の外部制御を目指す。さらに、周期的な集積構造を作製し、フォノニック結晶の実現を目指す。このフォノニック結晶としての機能と能動素子としての動的制御機能を組み合わせ、チップ上の動的フォノニック結晶の実現を目指す。
また、時間軸制御の成果を発展させ、実際に共振器の振動をエネルギー緩和時間より格段に速い速度でオン・オフする実験に取り組む。この手法により、機械共振器による信号処理速度の大幅な改善をデモンストレーションする。
さらに、単電子検出に関する次のステップとして、半導体ナノ構造素子と機械共振器を組み合わせ、半導体ナノ構造中の電子の出入りを、機械共振器で検出する実験を試みる。これまではシリコンを用いたナノ構造素子を用いていたが、化合物半導体の圧電材料としての特徴を生かし、オンチップで機械振動子とナノ構造素子を融合し、高感度の電荷検出を試みる。
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