スピン変換研究に向けた電気的超高速局所スピンプローブの開発と応用

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: ナノスピン変換科学
• 研究課題/領域番号: 17H05187
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 大塚 朋廣 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 客員研究員 (50588019)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 量子ドット / 局所スピン状態 / ナノ・マイクロデバイス

研究実績の概要

本研究では半導体量子ドット等の半導体ナノ構造を活用することにより、ナノ構造中の局所スピン状態にアクセスできる電気的高速局所スピンプローブを開発し、これを用いてナノ構造中の局所スピン現象を調べた。本年度は特に、電気的高速局所スピンプローブの開発、および電気的高速局所スピンプローブを用いた局所スピン状態ダイナミクスの測定を中心に行った。
スピン変換現象等をミクロで動的な観点から明らかにするためには、スピン変換デバイス等の中に生じたミクロな局所スピン状態に直接的にアクセスでき、その時間変化まで捉えることのできる高速局所スピンプローブが有用となる。このプローブを半導体量子ドットと高周波電気測定技術を用いた高速電荷状態プローブと、半導体量子ドット内のスピン・電荷変換現象を活用して実現した。半導体量子ドットの中にはスピンに依存した準位が存在し、この準位への電子のトンネルを利用して、局所スピンの状態を電荷移動の有無に変換して検出することができる。実際に半導体量子ドット中のスピン依存三重項状態を利用して、高速局所スピンプローブを開発した。
実現した高速局所スピンプローブを用いて、ナノ構造中の局所スピン状態ダイナミクスの測定を開始した。半導体量子ドットと電極からなる複合系における局所スピン状態を観測し、半導体量子ドット内のスピン状態が時間とともに変化する様子をミクロに観測した。さらにこの時間変化についてトンネル結合や、量子ドット内準位に対する依存性の詳細を測定した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

電気的高速局所スピンプローブを開発し、ナノ構造中の局所スピン状態ダイナミクスをミクロかつ高精度に観測することができたため。

今後の研究の推進方策

電気的高速局所スピンプローブを活用することにより、さまざまな系での局所スピン状態の測定とミクロなメカニズムの解明を進めていく。

研究成果

• [国際共同研究] ルール大学ボーフム(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ルール大学ボーフム
• [国際共同研究] バーゼル大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: バーゼル大学
• [雑誌論文] A triangular triple quantum dot with tunable tunnel couplings (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A、Kawasaki K、Otsuka T、Nakajima T、Yoneda J、Amaha S、Delbecq M R、Takeda K、Allison G、Ludwig A、Wieck A D、Tarucha S
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 巻: 32 ページ: 084004-1-5
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aa7596
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Robust Single-Shot Spin Measurement with 99.5% Fidelity in a Quantum Dot Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Otsuka Tomohiro、Stano Peter、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Noiri Akito、Kawasaki Kento、Takeda Kenta、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Loss Daniel、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 ページ: 017701-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.017701
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Higher-order spin and charge dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Stano Peter、Noiri Akito、Ito Takumi、Loss Daniel、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 12201-1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12217-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cotunneling spin blockade observed in a three-terminal triple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A.、Takakura T.、Obata T.、Otsuka T.、Nakajima T.、Yoneda J.、Tarucha S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 155414-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.155414
  • 査読あり
• [雑誌論文] A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9% (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoneda Jun、Takeda Kenta、Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Allison Giles、Honda Takumu、Kodera Tetsuo、Oda Shunri、Hoshi Yusuke、Usami Noritaka、Itoh Kohei M.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 ページ: 102-106
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0014-x
  • 査読あり
• [学会発表] Dynamics of an open quantum system based on gated GaAs quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Sen Li, Tomohiro Otsuka, Giles Allison, Akito Noiri, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Different charge and spin dynamics in a quantum dot-lead coupled system (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A 99.9%-fidelity spin qubit in isotopically purified silicon with charge-noise-limited coherence (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A two-qubit entangling gate between spin qubits of different kinds (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum non-demolition readout of a single spin in a quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Kento Kawasaki, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancing coherence of a single electron spin with adaptive control (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Kento Kawasaki, Akito Noiri, Jun Yoneda, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Four single-spin rabi oscillations in a quadruple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave induced frequency shift and its quadrature compensation for Si/SiGe spin qubits (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Jun Kamioka, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Charge-noise-limited coherence and three-nines fidelity of an enriched Si/SiGe spin qubit (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] A controlled-phase gate between spin qubits of different kinds (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] An isotopically-enriched silicon spin qubit with >99.9% fidelity and charge-noise-limited coherence (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] Probing Dynamics of Local Electronic States in Nanostructures Utilizing Fast Quantum Dot Probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Peter Stano, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
  • 国際学会
• [備考] 研究成果報告用個人ページ
  • URL: http://ja.tomootsuka.net