2021 Fiscal Year Annual Research Report
Terahertz dynamics of single molecule transistors and its application to quantum information processing
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20H05660
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平山 祥郎 東北大学, 理学研究科, 教授 (20393754)
村田 靖次郎 京都大学, 化学研究所, 教授 (40314273)
濱田 幾太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80419465)
芦原 聡 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10302621)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | 単一分子トランジスタ / 核スピン / 量子ドット / テラヘルツ電磁波 / 共振器 / ナノギャップ電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、量子ドット、単一分子など極微ナノ構造を活性層に用いた新規トランジスタの研究が注目されている。特に、単一分子は分子機能を応用できるデバイスとして注目されるとともに、分子振動や核スピンなどが新しい量子情報処理の媒体となる可能性も検討されている。このようなナノ構造中の量子準位や分子振動などの素励起のエネルギーは、おおよそテラヘルツ（THz）電磁波の光子エネルギーに対応するため、THz電磁波との相互作用の研究は、ナノ量子構造の物理の解明やその応用に適していると考えられる。特に、ナノギャップ中のTHz電界は大きく増強されるため、極めて強いTHz交流電界と電子系の相互作用という非常に興味深い状況も作り出せることもわかってきた。ちょうど今、THz電磁波と極微ナノ構造の相互作用の研究は新しいフェーズに入ったと言えよう。
上記のような背景の下、現在立ち上がりつつある原子スケールの「テラヘルツナノサイエンス」という新しい分野をさらに推進・深化させ、応用への展開可能性を探ることを本研究の目的とする。本年度は、特に、単一の水分子を内包したフラーレン分子（H2O@C60）を活性層とする単一分子トランジスタのコンダクタンススペクトルやTHz励起光電流スペクトルより、単一水分子のH原子の核スピンの向きの変換によるオルソ－パラ揺らぎを観測するとともに、強磁場を印加したときに約2Tにおいてヒステリシスを伴う抵抗変化が観測されることを見出した。このヒステリシスを伴った抵抗変化は、オルソ－パラ変換を抵抗変化として観測している可能性があり、継続して検討する。さらに、半導体量子ドットとsplit ring resonator (SRR)と呼ばれるTHz共振器との結合系において、量子ドット電子系とTHz共振器系の超強結合を観測することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、単一H2O@C60分子トランジスタのコンダクタンスやTHz励起光電流スペクトルに、パラ水分子とオルソ水分子の回転励起に起因する信号を同時に観測した。単一水分子の信号を測定しているにもかかわらず、オルソ状態とパラ状態の信号が同時に見えたことは、観測時間（数分）よりも短い時間スケールで、水分子を構成する水素原子の核スピンがフリップし、水分子がオルソとパラ状態の間を揺らいでいることを意味している。この高速なオルソ－パラ変換は、電極から注入される伝導電子のスピンとの相互作用によるものを思われ、単一の水素原子と単一の伝導電子の相互作用が検出できたことは大きな成果である。さらに強磁場をH2O@C60単一分子トランジスタに印加したときに、約2Tにおいて、H原子の核スピンのflipによると思われるヒステリシスを伴う抵抗変化が観測されることを見出した。一方、分子トランジスタの抵抗測定により単一水素原子のNMRを測定する試みは、現在までの段階では信号は見えていない。
さらに、半導体ヘテロ構造に超微細加工を行って実現できる量子ドットとスプリットリング共振器（split-ring resonator; SRR)と呼ばれる微小なTHz共振器との超強結合の実現に取り組んだ。我々は、電界が集中するSRRのギャップ近傍に量子ドットを配置した構造に注目し、量子ドット内の電子遷移エネルギーがSRRの共振周波数と一致する付近で非常に大きな反交差が観測されることがわかった。この反交差から、極少数の電子でも超強結合が実現できることが明らかになった。
また、分子トランジスタ作製に不可欠な通電断線過程に関して、高融点金属の通電断線過程では、ジュール熱の効果は小さく、電子から原子への運動エネルギー移動が主な機構であることが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き単一分子トランジスタの量子伝導と分子振動や核スピンの検出と応用に関する研究を継続する。特に、昨年度観測に成功したH2O@C60分子におけるパラ／オルソ水分子の量子回転励起についてさらに検討を進める。極低温、無磁場状態では、パラ水分子が基底状態であることが知られているが、強磁場を印加すると核スピンがそろったオルソ状態に基底準位が入れ替わることが予想される。今後は、強磁場を印加しつつ、磁気抵抗やTHz励起光電流測定により、水素原子１個の核スピンの検出に取り組む。
また、昨年度開始した半導体ヘテロ構造に微細加工を施して実現できる量子ドットとTHz共振器の実験に計画をシフトして研究を行なう。高移動度半導体ヘテロ構造に超微細加工を行って実現できる量子ドットとスプリットリング共振器（split-ring resonator; SRR)と呼ばれる微小なTHz共振器との超強結合が実現できると、量子ドット内の量子情報を電磁波という形で遠方に伝送することができ、空間的に離れた量子ドット間の量子相関を実現できる。本年度、量子ドット電子系とSRR THz共振器系の超強結合を実現することに成功したので、今後、単一あるいはSRRを繋いで、マクロな距離離れている量子ドット間の量子相関の実現に取り組む。特に、SRRを並べた構造については、放射ロスを低減できるようにトポロジカルな効果を利用できないか検討を行う。
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