半導体スピン注入を利用した核スピン制御と量子情報デバイスの基盤構築

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25286039
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 植村 哲也 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (20344476)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 半導体スピン注入 / 核スピン / ハーフメタル / 半導体 / 量子ゲート

研究実績の概要

本研究の目的は、強磁性体から半導体への電気的スピン注入を利用し、 (1)エレクトロニクス素子の主要構成材料であるGaAsやInGaAsにおける、電子スピンと核スピンに関するダイナミクスを解明すること、(2)核スピンをナノスケールの空間分解能で制御し、かつ、高感度に検出できる素子を創出すること、さらに、(3)核スピンの量子力学的なコヒーレンスを活用した半導体量子情報デバイスの基盤技術を確立することである。
最終年度である平成２７年度は、半導体スピン注入技術と核磁気共鳴(NMR)を併用した核スピンのコヒーレント制御の技術を確立し、核スピンを用いた量子ゲート操作の実証を行った。GaAs中の核スピンはいずれもスピン量子数が3/2であるため、外部磁場により４準位系を形成するが、隣接する２つの準位間のエネルギー差に共鳴する振動磁場を照射すると、振動磁場が照射されている間、核スピンはコヒーレントに回転をし続け、その結果、NMR信号はパルス照射時間に対して振動する。この振動はコヒーレント振動（ラビ振動）と呼ばれ、核スピンの量子力学的な重ね合わせ状態の実証となる。試作したGaAs系スピン注入素子において、69Gaの核スピンに対するラビ振動を観測した。これは、スピン注入素子を用いたラビ振動の観測としては世界初の成果である。
また、核スピン温度の概念を導入し、核スピンの外部磁場に対する過渡応答を定量的に解析するモデルを確立した。これにより、電子スピン系や格子系、外部磁場と複雑に相互作用する核スピンのダイナミクスを統一的に理解することに成功した。
以上により、核スピンの量子力学的なコヒーレンスを活用した半導体量子情報デバイスの実現に向けた重要な基盤技術を創出し、本研究課題の目的を達成した。

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。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

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] University of Wisconsin-Madison(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Wisconsin-Madison
• [国際共同研究] University of Kaiserslautern(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Kaiserslautern
• [雑誌論文] Efficient gate control of spin-valve signals and Hanle signals in GaAs channel with p-i-n junction-type back-gate structure (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Miyakawa, T. Akiho, Y. Ebina, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 9 ページ: 023103(4ページ)
  • DOI: 10.7567/APEX.9.023103
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Analysis of the transient response of nuclear spins in GaAs with/without nuclear magnetic resonance (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Rasly, Z. Lin, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 6 ページ: 056305(8ページ)
  • DOI: 10.1063/1.4943610
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Transient analysis of oblique Hanle signals observed in GaAs (2016)
  • 著者名/発表者名: Z. Lin, K. Kondo, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 04EN03(5ページ)
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.04EN03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced half-metallicity of off-stoichiometric quaternary Heusler alloy Co2(Mn,Fe)Si investigated through saturation magnetization and tunneling magnetoresistance (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Moges, Y. Honda, H.-x. Liu, T. Uemura, M. Yamamoto, Y. Miura, and M. Shirai
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 134403(15ページ)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.134403
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impact of CoFe buffer layers on the structural and electronic properties of the Co2MnSi/MgO interface (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Fetzer, H.-x. Liu, B. Stadtmuller, T. Uemura,M. Yamamoto, M. Aeschlimann and M. Cinchetti
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys 巻: 未定 ページ: 未定
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Influence of film composition in quaternary Heusler alloy Co2(Mn,Fe)Si thin films on tunnelling magnetoresistance of Co2(Mn,Fe)Si/MgO-based magnetic tunnel junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: H.-x. Liu, T. Kawami, Kidist Moges, T. Uemura, M. Yamamoto, F. Shi and P. M. Voyles,
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 48 ページ: 164001（9ページ)
  • DOI: 10.1088/0022-3727/48/16/164001
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-resolved low-energy and hard X-ray photoelectron spectroscopy of off-stoichiometric Co2MnSi Heusler thin films exhibiting a record TMR (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Fetzer, S. Ouardi, Y. Honda, H.-x. Liu, S. Chadov, B. Balke, S. Ueda, M. Suzuki, T. Uemura, M. Yamamoto, M. Aeschlimann, M. Cinchetti, G. H. Fecher, and C. Felser
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 48 ページ: 164002（12ページ)
  • DOI: 10.1088/0022-3727/48/16/164002
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coherent manipulation of nuclear spins using spin injection from a half-metallic spin source (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura, T. Akiho, Y. Ebina, and M. Yamamoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 ページ: 140410(R)(5ページ)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.140410
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Investigation of spin lifetime in strained InxGa1-xAs channels through all-electrical spin injection and detection (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Akiho, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 ページ: 093001(4ページ)
  • DOI: 10.7567/APEX.8.093001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Quantitative analysis of the nuclear spin dynamics in GaAs with irradiation by RF magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: Mahmoud Rasly, Zhichao Lin, Masafumi Yamamoto and Tetsuya Uemura
  • 学会等名: 2016年 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，東京
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Coherent Control of Nuclear Spins in Semiconductor using Electrical Spin Injection (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura
  • 学会等名: 2016 RCIQE International Seminar
  • 発表場所: Sapporo, Japan
  • 年月日: 2016-03-08 – 2016-03-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of transient response of nuclear spins in GaAs with/without nuclear magnetic resonance (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Rasly, Z. Lin, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 学会等名: 13th Joint MMM-Intermag Conference
  • 発表場所: San Diego, CA, USA
  • 年月日: 2016-01-11 – 2016-01-15
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of transient response of nuclear spins to a change in the magnetic field based on a time evolution of nuclear spin temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: Zhichao Lin, Mahmoud Rasly, Masafumi Yamamoto and Tetsuya Uemura
  • 学会等名: 第51回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学学術講演会館, 札幌市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] GaAsにおけるスピン信号の高効率ゲート制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宮川拓望, 秋保貴史, 蝦名優也, 山本眞史, 植村哲也
  • 学会等名: 第51回応用物理学会北海道支部学術講演会講演
  • 発表場所: 北海道大学学術講演会館, 札幌市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] 強磁性体(Fe, Co2MnSi)/MnGa二層膜の垂直磁化特性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松原航平, Bing Hu, Mahmoud Rasly, 山本眞史, 植村哲也
  • 学会等名: 第51回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学学術講演会館, 札幌市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] Correlation between the temperature dependence of tunneling conductance of Co2MnSi-based MTJs and their half-metallicity (2016)
  • 著者名/発表者名: Bing Hu, Kidist Moges, Yusuke Honda, Tetsuya Uemura and Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 第51回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学学術講演会館, 札幌市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] Origin of the strong bias voltage dependence of tunneling conductance for the antiparallel configuration of Co2(Mn, Fe)Si-based magnetic tunnel junctions (2016)
  • 著者名/発表者名: Kidist Moges, Bing Hu, Tetsuya Uemura and Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 第51回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学学術講演会館, 札幌市
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] Transient analysis of oblique Hanle signals observed in GaAs based on a time evolution of nuclear spin temperature (2015)
  • 著者名/発表者名: Zhichao Lin, Mahmoud Rasly, Masafumi Yamamoto, and Tetsuya Uemura
  • 学会等名: 第20回半導体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，ナノスピン実験施設，仙台市
  • 年月日: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [学会発表] Highly efficient gate control of spin signals in GaAs (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Miyakawa, T. Akiho. Y. Ebina, M. Yamamoto, T. Uemura
  • 学会等名: 第20回半導体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，ナノスピン実験施設，仙台市
  • 年月日: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [学会発表] Coherent control of nuclear spins in GaAs using a spin injection technique (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura, T. Akiho, Y. Ebina and M. Yamamoto,
  • 学会等名: 第20回半導体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，ナノスピン実験施設，仙台市
  • 年月日: 2015-12-03 – 2015-12-04
• [学会発表] Half-metallic Heusler alloys for the spin sources of spintronic devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Yamamoto and Tetsuya Uemura
  • 学会等名: 13th RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-11-18 – 2015-11-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transient Analysis of Oblique Hanle Signals Observed in GaAs (2015)
  • 著者名/発表者名: Z. Lin, M. Yamamoto and T. Uemura
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2015)
  • 発表場所: Sapporo, Japan
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature Dependence of Spin-Dependent Tunneling Conductance of Magnetic Tunnel Junctions with Highly Spin-Polarized Electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: B. Hu, Kidist. Moges, H. Liu, Y. Honda, T. Uemura and M. Yamamoto
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2015)
  • 発表場所: Sapporo, Japan
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] Bias Voltage Dependence of the Spin-dependent Tunneling Conductance of Co2(Mn,Fe)Si-Based Magnetic Tunnel Junctions Exhibiting Giant Tunneling Magnetoresistances (2015)
  • 著者名/発表者名: Kidist. Moges, B. Hu, H. Liu, T. Uemura and M. Yamamoto
  • 学会等名: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2015)
  • 発表場所: Sapporo, Japan
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-09-30
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependence of spin-dependent tunneling conductance for the parallel configuration of Co2MnSi and Co2(Mn,Fe)Si-based MTJs (2015)
  • 著者名/発表者名: Bing Hu, Kidist Moges, Yusuke Honda, Tetsuya Uemura, Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 日本金属学会2015年秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス, 福岡市
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-18
• [学会発表] Bias voltage dependence of spin-dependent tunneling conductance of MTJs with Co2(Mn,Fe)Si electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: Kidist Moges, Bing Hu, Tetsuya Uemura, Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 日本金属学会2015年秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス, 福岡市
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-18
• [学会発表] ホイスラー合金のハーフメタル特性に対する非化学量的組成の影響とMTJのTMR特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本眞史，植村哲也
  • 学会等名: 日本金属学会2015年秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス, 福岡市
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-18
  • 招待講演
• [学会発表] Transient analysis of oblique Hanle signals observed in GaAs (2015)
  • 著者名/発表者名: Zhichao Lin, Masafumi Yamamoto, Tetsuya Uemura
  • 学会等名: 2015年 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
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Temperature dependence of spin-dependent tunneling conductance for parallel configuration of Co2MnSi MTJs with high spin polarization (2015)
  • 著者名/発表者名: Bing Hu, Kidist Moges, Hongxi Liu, Yusuke Honda, Tetsuya Uemura, and Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 2015年 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
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Spin-dependent tunneling conductance characteristics of half-metallic Co2(Mn,Fe)Si-based magnetic tunnel junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: Kidist Moges, Bing Hu, Hongxi Liu, Tetsuya Uemura, and Masafumi Yamamoto
  • 学会等名: 2015年 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
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Characteristic temperature dependence of spin-dependent tunneling conductance of MTJs with highly spin-polarized electrodes (2015)
  • 著者名/発表者名: B. Hu, K. Moges, Y. Honda, T. Uemura, M. Yamamoto
  • 学会等名: 第39回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス, 名古屋市
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-11
• [学会発表] Effect of off-stoichiometry on half-metallicity of quaternary Heusler alloy Co2(Mn,Fe)Si investigated through saturation magnetization and tunneling magnetoresistance (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Moges, Y. Honda, Hong-xi Liu, B. Hu, T. Uemura, Y. Miura, M. Shirai, M. Yamamoto
  • 学会等名: 第39回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス, 名古屋市
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-11
• [学会発表] 半導体スピン注入を用いた核スピンのコヒーレント制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 秋保貴史，蝦名優也，山本眞史，植村哲也
  • 学会等名: 第39回日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス, 名古屋市
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-11
• [学会発表] Gate control of spin-valve signal and Hanle signal in GaAs observed by a four-terminal nonlocal geometry (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Miyakawa, T. Akiho, Y. Ebina, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 学会等名: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
  • 発表場所: Sendai, Japan,
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent control of nuclear spins using spin injection from half-metallic Co2MnSi (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Akiho, Y. Ebina, M. Yamamoto, and T. Uemura
  • 学会等名: 21st International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • 発表場所: Sendai, Japan,
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature dependence of spin-dependent tunneling resistances of Co2MnSi-based and Co2(Mn,Fe)Si-based magnetic tunnel junctions showing high tunneling magnetoresistances (2015)
  • 著者名/発表者名: B. Hu, H. Liu, T. Kawami, Kidist Moges, Y. Honda, T. Uemura and M. Yamamoto
  • 学会等名: IEEE Int’l Magnetics Conf. 2015 (INTERMAG 2015)
  • 発表場所: China National Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] Half-metallic electronic structure of Co2(Mn,Fe)Si electrodes investigated through tunneling spectroscopy for fully epitaxial magnetic tunnel junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: Kidist Moges, H. Liu, T. Kawami, T. Uemura and M. Yamamoto
  • 学会等名: IEEE Int’l Magnetics Conf. 2015 (INTERMAG 2015)
  • 発表場所: China National Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] Manupulation of nuclear spins in GaAs using a half-metallic spin source of Co2MnSi (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Uemura and M. Yamamoto
  • 学会等名: IEEE Int’l Magnetics Conf. 2015 (INTERMAG 2015)
  • 発表場所: China National Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Heusler Alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Yamamoto and T. Uemura
  • 総ページ数: 31
  • 出版者: Springer International Publishing Switzerland
• [備考] 北海道大学ナノ電子デバイス学研究室
  • URL: http://www.ist.hokudai.ac.jp/labo/nanodev/index.html