位置制御シングルモード量子ドット・量子リングの伝導制御とその応用

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25246004
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子ドット / 量子ナノ構造 / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ

研究実績の概要

自己組織化InAs量子ドットのように電子準位がごく少数のモードしか含まないような極限ナノ領域では、その物理が量子力学に支配され、非常に理想的で制御性のよいものになる。従って、bottom-up的極限ナノ構造を作製し、電極から電子を注入し伝導を制御できれば、次世代のエレクトロニクスに新しい局面を拓くことができるであろう。本研究では、極微小自己組織化単一InAs量子ドット構造にナノギャップ電極により電気的にアクセスし、その電子状態やダイナミクスを明らかにするとともに、その応用を探索することを目的に研究を遂行している。
本研究で、我々は単一量子ドットを活性層とするトランジスタ構造において、量子ドットにアクセスするナノギャップ電極をテラヘルツアンテナと集積化することにより、量子ドット内のサブレベル間遷移をテラヘルツ電磁波で誘起された光電流の変化として検出することに成功した。特に本年度は、以下のような成果を挙げることができた。
１．量子ドットにコンタクトする電極のトンネル抵抗の非対称性により、テラヘルツ電磁波でサブレベル間遷移を誘起すると、単一電子ポンプとして機能し、光起電力が発生することを見いだした。この効果は、今まで利用が困難であった熱雑音を有用な直流パワーに変換することができるという点で、ナノエナジーハーベスティングとしての効果が期待できる。
２．量子ドットの中では電子間の相互作用エネルギーが10 meV程度となり、無視できない。従来は量子ドットの基底状態での帯電エネルギーを求めることはできたが、本研究でテラヘルツ誘起光電流の立ち上がりバイアス条件を調べることにより、デバイス動作にとって重要な励起状態での電子間相互作用のエネルギーを求める方法を開発した。

現在までの達成度 (段落)

27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

27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] エコールノルマルスーペリゥ(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: エコールノルマルスーペリゥ
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] “Superconducting transport in single and parallel double InAs quantum dot Josephson junctions with Nb-based superconducting electrodes” (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Baba, J. Sailer, R. S. Deacon, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: vol. 107 ページ: pp. 222602-1~5
  • DOI: 10.1063/1.4936888
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] “Gate-controlled terahertz single electron photovoltaic effect in self-assembled InAs quantum dots” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: vol. 107 ページ: pp. 103103-1~4
  • DOI: 10.1063/1.4930023
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] "Cooper pair splitting in parallel quantum dot Josephson junctions" (2015)
  • 著者名/発表者名: R.S. Deacon, A. Oiwa, J. Sailer, S. Baba, Y. Kanai, K. Shibata, K.Hirakawa, S. Tarucha
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: vol. 6, article no. 7446 ページ: pp. 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms8446
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] “Probing many-body quantum states in single InAs quantum dots: Terahertz and tunneling spectroscopy” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: vol. 91 ページ: 241301(R)-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.241301
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] “原子スケールナノギャップ電極間に発生する強電界テラヘルツ電磁波とナノ構造のキャリアダイナミクス” (2016)
  • 著者名/発表者名: 平川一彦、吉田健治、杜少卿、張亜
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス、目黒区、東京
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
  • 招待講演
• [学会発表] “電気二重層ゲートを用いた金属量子ポイントコンタクトにおける伝導度の電界制御” (2016)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、吉田健治、平川一彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、仙台市、宮城県
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] “ナノギャップ電極を用いたnm領域のテラヘルツ分光と電子ダイナミクス” (2016)
  • 著者名/発表者名: 平川一彦
  • 学会等名: ナノ量子情報エレクトロニクスシンポジウム
  • 発表場所: 東京大学伊藤国際学術研究センター 伊藤謝恩ホール、文京区、東京
  • 年月日: 2016-02-29 – 2016-03-01
• [学会発表] “異なる電極形状によるInAs自己形成量子ドットの電気伝導特性” (2015)
  • 著者名/発表者名: 敷島稜紀、大岩顕、木山治樹、馬場翔二、平山孝志、長井奈緒美、平川一彦、樽茶清悟
  • 学会等名: 第20回スピン工学の基礎と応用（PASPS-20）
  • 発表場所: 東北大学電気通信研究所、仙台市、宮城県
  • 年月日: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [学会発表] “Terahertz single electron photovoltaic effect in self-assembled InAs quantum dots” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN2015)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 2015-11-29 – 2015-12-04
  • 国際学会
• [学会発表] “Electric-field control of quantum states in nanostructures by electric-double-layer gating” (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN2015)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 2015-11-29 – 2015-12-04
  • 国際学会
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of quantum nanostructures far beyond the diffraction limit” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: Workshop on Physics between Ecole Normale Superieure and University of Tokyo
  • 発表場所: Hongo Campus, University of Tokyo, Tokyo
  • 年月日: 2015-11-18 – 2015-11-19
  • 国際学会
• [学会発表] “Effect of electrode-geometries on the transport properties of InAs selfassembled quantum dots” (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kiyama, R. Shikishima, S. Baba, T. Hirayama, N. Nagai, K. Hirakawa, S.Tarucha, and A. Oiwa
  • 学会等名: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT2015)
  • 発表場所: NTT Atsugi R&D center, Kanagawa
  • 年月日: 2015-11-17 – 2015-11-20
  • 国際学会
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of quantum nanostructures far beyond the diffraction limit” (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hirakawa
  • 学会等名: Q-NANO Workshop 2015
  • 発表場所: Hindaas, Sweden
  • 年月日: 2015-09-24 – 2015-09-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “異なる電極形状によるInAs自己形成量子ドットの電気伝導特性” (2015)
  • 著者名/発表者名: 敷島稜紀，大岩顕，木山治樹，馬場翔二，平山孝志，長井奈緒美，平川一彦，樽茶清悟
  • 学会等名: 日本物理学会[物性]2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、吹田市、大阪府
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] “金属量子ポイントコンタクトにおける伝導度の電界制御” (2015)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、吉田健治、南谷俊樹、平川一彦
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場、名古屋市、愛知県
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] “金属原子スイッチにおける確率共鳴の観測” (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉田健治、平川一彦
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場、名古屋市、愛知県
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] “Terahertz intersublevel transitions in single self-assembled InAs quantum dots with variable electron numbers” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: The Second International Symposium on Frontiers in THz Technology (FTT2015)
  • 発表場所: Congress Center in ACT CITY, Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-02
  • 国際学会
• [学会発表] “Transport Property of Single/Double InAs Quantum Dot Josephson Junctions with Nb-based Materials” (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Baba, R.S.Deacon, A.Oiwa, K.Shibata, K.Hirakawa, and S.Tarucha
  • 学会等名: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-21)
  • 発表場所: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] “Electron magneto-tunneling through single self-assembled InAs quantum dashes coupled to ferromagnetic leads” (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, N. Pascher, S. Schnez, T. Ihn, K. Ensslin, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17)
  • 発表場所: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] “Terahertz photovoltaic effect and application in excited state charging energy sensing in single self-assembled InAs QDs” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17)
  • 発表場所: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] “Transport properties of InAs self-assembled quantum dots with different electrode geometries” (2015)
  • 著者名/発表者名: (R. Shikishima, H. Kiyama, S. Baba, T. Hirayama, N. Nagai, K. Hirakawa, S. Tarucha, and A. Oiwa
  • 学会等名: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-17)
  • 発表場所: Sendai International Center, Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] “Probing manybody quantum states of single InAs quantum dots by terahertz spectroscopy” (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, G. Bastard, and K. Hirakawa
  • 学会等名: The 19th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON'19)
  • 発表場所: Salamanca, Spain
  • 年月日: 2015-06-29 – 2015-07-02
  • 国際学会
• [学会発表] “Electric-field control of conductance in metal point contacts by electric-double-layer gating” (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, K. Yoshida, T. Minamiya, K. Sato, and K. Hirakawa
  • 学会等名: The 19th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON'19)
  • 発表場所: Salamanca, Spain
  • 年月日: 2015-06-29 – 2015-07-02
  • 国際学会
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of extremely small nanostructures using metal nanogap electrodes” (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hirakawa
  • 学会等名: 2015 International Symposium on Terahertz Technology and Applications
  • 発表場所: Soochow, China
  • 年月日: 2015-06-17 – 2015-06-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] “Measuring the THz absorption by a single Quantum Dot” (2015)
  • 著者名/発表者名: K.Hirakawa
  • 学会等名: Symposium “Recent advances in semiconductor nanostructures”
  • 発表場所: Paris, France
  • 年月日: 2015-04-03 – 2015-04-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] テラヘルツ電磁波を用いた量子ドット中のサブレベル間遷移の観測
  • URL: http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp/subject/jr1-1.html
• [備考] 量子ドットにおける単一電子テラヘルツ光起電力効果の観測
  • URL: http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp/subject/jr1-6
• [備考] 量子ドットにおける多体電子状態の観測：テラヘルツ分光とトンネル分光の比較
  • URL: http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp/subject/jr1-5