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単電子レベルの極限的な性能を追求する
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NTT物性科学基礎研究所
NTT物性科学基礎研究所
ナノデバイス研究グループ
ナノデバイス研究グループ

3 単電子の制御

電子の量子的な超高速コヒーレント振動を検出可能な技術とその応用単一の電子を制御しその振る舞いを観察できると、物理現象を解明しさまざまなナノデバイスを実現することに役立つ。そのための基礎研究を続けている NTT 物性科学基礎研究所（以下、物性研）フロンティア機能物性研究部 ナノデバイス研究グループでは、近年、電子の持つ量子的な特性を活用する研究に力を入れている。

た高周波電圧の変化で電子のポテン電子を 1 つずつクロック制御により正確に転送する技術

シャルが上がるとその電子が電極の外に移動するという仕組みです。電単電子の制御に関する物性研の研

圧の周期ごとに 1 つの電子が転送

究は、かつては主に電子の粒子的なされるので、周波数が f であれば 1特性に注目していた。その特筆すべ

秒間に f 個の電子が流れます。」（山き研究成果の 1 つが、電子を 1 つ端氏）ずつ、高速かつ正確に転送する技術

このデバイスを 1GHz で動作さだ。 重 要 な 役 割 を 果 た し た の が、せた際に流れる電流を測定し、転送NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部

NTT 研究所が長年培ってきた微細エラー率が 9.2 × 10-7 以下という当加工技術により実現した、幅わずか時世界最高の精度を実現したこと

10nm 程度のシリコン細線にゲートを、2016 年 7 月 5 日に発表した。

電極が載る構造のデバイス（図 1）

この研究成果は 2019 年に行われでアンペアを実現することとなっであった。

たアンペアの再定義と深い関係があた。実用的な電流標準は高速かつ高「 2 つのゲート電極の間に電子をる。この再定義により、現在は周波精 度 に 動 作 す る 必 要 が あ る た め、

1 つ閉じ込め、ゲート電極に印加し数 f と電荷素量 e で決まる電流標準

GHz の高周波電圧で高精度な動作

DC電圧あった。

DC電圧
V2

V1100nm出口ゲート電極

入口ゲート電極

シリコン単電子の波

直径〜10nm
DC電流
測定
A10nm

シリコン酸化膜
図122

山端 元音氏を実現したことには大きな意味がAC電圧

コヒーレント振動

ナノデバイス研究グループ
特別研究員

単電子転送デバイスの素子構造と測定系

細線断面図
入口

出口

電子顕微鏡写真＊nm(ナノメートル)：
10億分の1メートル

電子の量子的な振る舞いを理解する研究に注力
単電子を転送するデバイスは、見方を変えると電子の波を転送するものとも言える。この波を精密に制御することができれば、超高速な駆動が可能な量子ビットや高感度な電磁場センサの実現、光の粒であるフォトンを利用した量子力学的な実験を電子により行う電子量子光学実験な

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2023 Vol.60 No.7

ど、さまざまなことに役立つと考え箱のスナップショットに例える（図る。単電子転送デバイスは捕獲したられる。そのため、電子を転送する

2）。振動により左右に移動する箱

電子のポテンシャルエネルギーが上際に量子力学的にどのような現象ががカメラから遠いときには小さく、がることで電子が放出される仕組み起きているかを解明する研究に力を近いときには大きく写るようなスであり、上下方向の箱の移動に相当入れるようになった。

ナップショットを撮影したいが、箱する仕組みをもともと備えている。

極小の領域に閉じ込められた電子の高速な動きを捉えることが可能なまたスリットの役割を果たす「共鳴が持つエネルギーは飛び飛びの値をほどシャッターが高速に動かない、準位」について、山端氏は次のよう持つ。極小空間での電子の振動は、すなわち高速に電流をスイッチングに述べている。

この異なるエネルギー準位を持つ電する技術がまだないことが、本研究「簡単に言えば、共鳴準位のエネ子の波の重ね合わせによる波としての難しさであった。

ルギーと単電子のエネルギー準位が説明することができる。

「シャッターを開いたままなんと一致したときに電子が出口側のゲー「量子力学の教科書に書かれていか動きを捉えることを考えました。

ト電極から放出されます。共鳴準位

るような関係式で、電子の波が電極

スリットを用意してそこにカメラをを持つデバイスを意図的に作り出す間で振動するコヒーレント振動を説設置し、箱がバネで動く仕掛けの方のは難しいのですが、我々が作製し明できます。この式に電子のエネルをスリットの前で上下方向に高速にたデバイスにはある確率で存在する

ギ ー 値 を 当 て は め て 計 算 す る と、移動させます。さらにスリットの位ため利用しています。またゲート電我々が作製した素子のサイズでは 2置を移動させることで、箱の位置が圧を調節することにより共鳴準位をつのゲート電極間で 250GHz 程度異なるスナップショットをそれぞれ上下させられます。これがスリットの空間振動が発生すると予想できま撮影できるのではないか、と考えまを移動させることに相当します。振す。これを実験で確認することが研した。」（山端氏）

動により共鳴準位と電子の位置関係究のスタートでした。」（山端氏）が変化し、電子が共鳴準位に近けれ共鳴準位による超高速サンプリング（図 3）250GHz の振動を観測するため新たな測定手法を考案

ば電子が放出されやすく、遠ければ放出されにくくなるため、電子の放出による電流は増減します。」

電子の波を箱の振動にたとえるア

既存の技術で検出できる電子の高ナロジーでは、左右方向の箱の振動

この関係を利用し、電流の増減を速振動は 100GHz 程度が限界と考がゲート電極間における電子のコ観測することにより電子がどのようえられ、この限界を突破する新たなヒーレント振動、カメラが電流計、に振動しているかを知る、というの検出手法を考案した。理解のため電上下方向の箱の移動が電子のポテンが物性研による新たな手法だ。

子の振動の検出を、バネで振動するシャルエネルギーの変化に相当す

バネで振動する箱の写真撮影

スナップショット

遠カメラ

高速振動

近

高速な動きを捉えるには高速シャッターが必要＜箱の振動とのアナロジー＞

電子ポテンシャル図V1

左右方向の箱の振動⇒コヒーレント振動

V2シャッターを開のまま動きを捉えたい⇒スリット利用＋箱を下から上へ移動

t3t2

遠捕獲

スリットの位置を移動

時刻t1x

近アナロジーを用いた測定手法のイメージ

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出口側

・単電子のエネルギーと共鳴準位が一致：放出・単電子と共鳴準位の距離により電流が増減

スリット

図2

放出

共鳴準位

単電子の波

入口側

スリットカメラ

zカメラ

t4
高速移動

コヒーレント振動

図3カメラ ⇒ 電流計
電流

高速シャッター⇒高速電流スイッチング
スリット ⇒ 共鳴準位
上下方向の箱の移動⇒電子のエネルギー変化
スリット移動(異なる時間を観測)⇒ゲート電圧変化

共鳴準位による超高速サンプリング

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単電子レベルの極限的な性能を追求する
NTT物性科学基礎研究所 ナノデバイス研究グループ

実験

電流変化

この手法による実験の結果を図 4

計算

V2 (V)

超高速コヒーレント振動の時間分解検出に成功

V2 (V)

特集左に示す。グラフにおいて青と赤で示されている電流の変化が電子の振動を表している。この実験結果は図4 右に示すシミュレーションの結果と一致している。
ゲート電圧の変化がスリットの移動に対応する関係から、電流と時間

V 1 (V)

量子力学に基づくシミュレーション

V1 (V)

実験と理論が一致

時間依存性へ変換（ゲート電圧変化：異なる時間の観測）
超高速コヒーレント振動の時間分解検出に成功

250ギガヘルツの関係を導き出したものが図 4 下

時間（ピコ秒）のグラフだ。このグラフで確認でき

図4

る電流の周期は 250GHz 程度であ

実験結果

り、計算から導き出した予想と一致

単電子飛行量子ビットのメリット

1 つ捕獲した状態で、左側の領域かする。こうして超高速振動を検出すとして、量子コンピュータの実装にら別の電子を 1 つ転送します。電る新たなサンプリング技術の有効性関する問題を挙げることができる。

子が無いところへ単電子を転送するが証明された。

実用化に向け研究が進む既存の量子場合と、すでに単電子が存在すると「共鳴準位さえ準備できれば我々ビットは高周波信号を必要とするた

ころへ単電子を転送する場合の電流が考案した手法で超高速な量子現象

め、個々の量子ビットに高周波電圧を比較すると、後者の方が余分に電の検出が可能です。高速な電流スの配線が必要であるという問題だ。

流が流れることを観測できました。

イッチングが不要、かつ DC 電流を「大量の量子ビットを使う量子コ

このことから、通常なら捕らえられ測定することで実効的な時間分解測ンピュータではこの配線が問題になたまま移動しない電子が、他の電子定が可能なこの手法により、周波数ると予想しています。単電子飛行量とのクーロン相互作用により移動す1THz 程度までの振動検出も可能と子ビットの動作には高周波信号が不ることが確認できました。」（山端氏）

期待しています。この成果は超高速要なため、配線を大幅に簡素化でき駆動が可能な量子ビットの実現などる可能性があります。」（山端氏）

今後の研究活動

シリコン内における単電子のクーロン相互作用を確認

今後の研究活動について山端氏はに繋がる可能性があると考えています。
」（山端氏）

次のように述べている。

単電子飛行量子ビットの実現に向「電子の波の幅を非常に狭く保てる

けた研究の第一歩は、電子の衝突にと、使いやすい量子デバイスの実現

こうした研究を経て現在取り組んよる「クーロン相互作用」 の解析でに役立つ可能性があります。このこでいるのが「単電子飛行量子ビット」あった。GaAs などの物質中におけるとに共鳴準位による超高速サンプリンの実現に役立つ研究だ。単電子飛行実験は報告例があるものの、シリコングと同様の仕組みを利用できるので量子ビットは、単一の電子を閉じ込デバイスを用いた報告例はなかった。

は、と考えています。 基本的には主めて安定に伝搬できる経路を用意

物性研は図 1 に示すようなデバに単電子飛行量子ビットの実現に向し、そこに単一の電子を伝搬してそイスにゲート電極を追加し 2 つのけた基礎研究を進めますが、その他の状態を観測することで、量子コン領域を作ることで、転送後の電子のにも、たとえばこれまでの研究成果をピュータのビットとして利用すると挙動を観察する実験を行った。

高精度な電磁場センサの実現に活かいうものだ。

「2 つ並んだ領域の右側に電子をすといったことを考えています。」

単電子飛行量子ビット24

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