2022 Fiscal Year Annual Research Report
SiC欠陥スピンの電気的高効率読出の確立に向けたスピン・光・電荷ダイナミクス解明
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22H01526
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
森岡 直也 京都大学, 化学研究所, 助教 (90905952)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 炭化ケイ素 / SiC / 点欠陥 / スピン / 光電流 / 磁気共鳴 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子情報および量子センサのプラットフォームとして炭化ケイ素（SiC）中の点欠陥スピンに着目している。光電流磁気共鳴法によって、点欠陥スピンの量子情報を電気的に検出することが可能であるが、炭化ケイ素においてそのメカニズムや検出感度向上の指針は十分に理解されていない。本研究では、SiC中点欠陥においてスピン、光、電荷が相互に関与するダイナミクスを調べ、光電流によるスピン検出メカニズムの解明と、検出効率の向上を目指している。
研究初年度となる本年度は、SiC中欠陥の光電流磁気共鳴検出装置の立ち上げを行った。スピン・光・電荷ダイナミクスを調べるうえで、本研究では時間軸ダイナミクスおよびエネルギー軸ダイナミクスの両方に着目している。時間軸の制御のため、励起レーザ強度を高速に変調でき、かつスピン操作用マイクロ波を任意のタイミングで数十ナノ秒のスケールで印加可能な装置を構成した。またエネルギー軸に関しては、様々な励起レーザ波長を使用できる光学系を構成した。その過程で、SiC中のシリコン空孔V2と結合した核スピンの磁気共鳴信号を光電流磁気共鳴によって電気的に検出可能であることを示し、測定システムの低ノイズ性能を示した。また、これまでSiCにおける光電流磁気共鳴はシリコン空孔についてのみ報告されているが、本研究で製作した測定システムの検証過程においてシリコン空孔以外の信号と考えられる信号を観測し、その起源の特定を進めている。以上に加えて、今後スピン信号の検出ダイナミクスを明らかにするために必要なサンプルの作製についても取り組み、欠陥生成条件や加工条件、デバイス構造の最適化に向けた実験を実施した。これらの研究によって、実際にダイナミクスの研究を進める準備を整えることができた。
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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
当初計画通り、レーザ励起の時間分解および波長依存性を測定可能な光電流磁気共鳴装置を製作することができた。本装置において、4H-SiC中のシリコン空孔の光電流磁気共鳴が検出可能であることを確認した。また、これまでSiCにおける光電流磁気共鳴検出ではシリコン空孔スピンのみが検出されているが、本研究の過程においてシリコン空孔以外の信号の観測に成功した可能性がある。詳細な検討が必要ではあるものの、これは当初の計画に加えた進展である。これらのことから、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に製作した装置を用いて、今後は測定パルスシーケンスに対する光電流の応答を解析することによって時間軸ダイナミクスの解析を行い、光電流がスピン依存性を獲得するメカニズムの解明にアプローチしてゆく。また、エネルギー軸について、励起波長範囲をより拡大し、様々な励起波長における信号を詳細に解析することで、光電流の構成成分および励起メカニズムを明らかにしてゆく。これらと並行して、欠陥生成条件やデバイス構造が信号に与える影響についても引き続き検討を行う。これらの結果を総合することで、光電流磁気共鳴に関わるスピン・光・電荷ダイナミクスの解明を目指すとともに、スピン信号検出効率の向上につなげる。シリコン空孔以外のスピン信号についてはその同定を進め、その検出メカニズムの解明を目指す。
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[Presentation] Spin-optical dynamics study and approach to quantum electronics for quantum applications of silicon vacancy in SiC2022
Author(s)
Naoya Morioka, Di Liu, Tetsuri Nishikawa, Oney O. Soykal, Hiroki Morishita, Izel Gediz, Charles Babin, Rainer Stoehr, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Nguyen Tien Son, Jawad Ul-Hassan, Florian Kaiser, Joerg Wrachtrup, and Norikazu Mizuochi
Organizer
The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications
Int'l Joint Research / Invited
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