表紙の写真：
電気機械共振器を用いたパラメトリック周波数変換とロジック演算
ナノスケールの機械的振動を用いた論理デバイスを実現した。A および B の２つの入力は、それぞれ異なる周波数、fA および fB、の電圧信号として電極に印加される。この信号は機械的振動を引き起こ
し、混合された結果 fC および fD の周波数を持つ振動に変換される。fC の振動は A および B が入力された場合、fD の振動は A あるいは B のどちらかが入力されたときに生成され、それぞれ A and B および A or B の論理ゲートに対応する。3 入力ゲートを構成することも可能である。
（27 ページ）A面AlN LED 構造

発光スペクトル

放射特性

AlN 遠紫外発光ダイオードの高効率化
半導体で最も短い波長 210 nm で遠紫外発光する窒化アルミニウム (AlN) は、特異な価電子帯構造（負の結晶場分裂エネルギー）を持つため、従来の半導体材料にはな
い特定の結晶面（A 面）から強く発光する特性を有する。これまでの AlN 遠紫外発
光ダイオード (LED) は、他の窒化物半導体と同様に良質な結晶を成長しやすい C 面
LED 構造であったが、今回、AlN 特有の発光特性を活かした A 面 LED 構造を作製し、LED 表面からの強い遠紫外発光を得た。
（16 ページ）

高度に集積化可能な人工細胞膜マイクロアレイ
ハイスループットなバイオチップ用のプラットフォームとして重要な、人工細胞膜
マイクロアレイの新規作製法を開発した。上図は 10 µm 幅の人工細胞膜を、それぞれ
5 µm の距離を離して配置したマイクロアレイの蛍光顕微鏡像である。赤、緑、青の蛍光はそれぞれ組成の異なる人工細胞膜を示している。本手法によれば、従来法に比べて集積度を原理的に 100 倍以上向上させることが可能となる。
（18 ページ）－Ⅰ－異なる最適動作点（周波数）で観測された Ramsey 干渉縞 と エコー法で測定した位相緩和時間。

トンネルエネルギー可変型磁束量子ビットのコヒーレント制御
磁束量子ビットを構成する最小のジョセフソン接合を DC-SQUID で置き換え、トンネ
ルエネルギーをその場で制御できる素子のコヒーレント動作に成功した。従来技術では、素子作製時に固定されていた互いに逆廻りの超伝導電流状態間のトンネルエネル
ギーが可変なこの素子では、量子ビットのエネルギー（動作周波数）をナノ秒の時間ス
ケールで調節できる。デコヒーレンスの主因と考えられる磁束ノイズが最小の動作点に量子ビットを留めたまま、動作周波数を変えることが可能である。Ramsey 干渉とエコー法による測定から、この種の素子では最も優れたコヒーレンスが確認された。この素子を用いれば、量子バスを介した量子ゲートの研究や、量子メモリの研究が飛躍的に進展することが期待される。
（31 ページ）

弱結合状態におけるPLスペクトル（mode attraction）。

強結合状態におけるPLカラーマップ（非交差分散を伴うRabi分裂の消失）。

単一量子ドットを用いた共振器量子電磁力学
単一の量子ドット (QD) をフォトニック結晶共振器に埋め込み、QD 励起子 (X) と共振器 (C) の相互作用 －共振器量子電磁力学 (cQED) － 効果について調べた。相互作
用が弱い（弱結合）状態では、X と C のモードが引き合う現象を見出した。また相互作用が強い（強結合）状態では、非交差分散を伴う Rabi 分裂の形成・消失現象を観測した。これらは固体二準位系に特有な励起子位相緩和などに起因する新たな cQED 現象である。
（39 ページ）－Ⅱ－ご あ い さ つ
日頃より、私ども NTT 物性科学基礎研究
所の研究活動に多大なご支援・ご関心をお寄せ頂きまして、誠にありがとうございます。
NTT 物性科学基礎研究所は、将来の情報通信の課題に向き合い、それらの課題を克服し、NTT 事業の未来を支える新たな価値の創造を目指しています。また、普遍的知見の獲得な
どの学術的貢献もミッションとしており、機能物質科学、量子電子物性、量子光物性という 3 つの研究分野において、研究活動を行っております。
研究を進める上で、グローバルな競争力の強化が重要と考え、その施策の 1 つとしてNTT の他研究所や、日本のみならず諸外国の大学や研究機関との幅広い連携、共同研究を積極的に進めております。また、
私どもの研究内容を紹介させていただく『サイエンスプラザ』や、ナノサイエン
スや量子物理に関する『国際会議』を開催し、私どもの活動をご理解頂くとともに、それに対する忌憚のないご意見を頂けるように努めております。
これらの活動を通じて、開かれた研究所としての使命を果たすとともに、本研究所での成果を広く世界に発信するよう努力を致す所存でございますので、今後とも一層のご指導・ご鞭撻を賜りますようお願い申し上げます。

2011 年 6 月

NTT 物性科学基礎研究所
所長 横浜 至

－Ⅲ－

目

次
ページ

◆ 表紙
♦ 電気機械共振器を用いたパラメトリック周波数変換とロジック演算◆ カラー口絵 ……………………………………………………………………………Ⅰ♦ AlN 遠紫外発光ダイオードの高効率化♦ 高度に集積化可能な人工細胞膜マイクロアレイ♦ トンネルエネルギー可変型磁束量子ビットのコヒーレント制御♦ 単一量子ドットを用いた共振器量子電磁力学◆ ごあいさつ ……………………………………………………………………………Ⅲ◆ NTT 物性科学基礎研究所

組織図 ………………………………………………… 1◆ NTT 物性科学基礎研究所

所員一覧 ……………………………………………… 2

Ⅰ . 研究紹介◇ 各研究部の研究概要 …………………………………………………………………………… 13◇ 機能物質科学研究部の研究紹介 ……………………………………………………………… 14♦ MBE 法によるロバストな超伝導特性を示す Pr2CuO4 の作製♦ MOVPE 選択エピタキシを用いた GaN の核およびスパイラル成長機構の解明♦ AlN 遠紫外発光ダイオードの高効率化♦ 単結晶ダイヤモンド基板上に成長した AlGaN/GaN HEMT
♦ 高度に集積化可能な人工細胞膜マイクロアレイ♦ ドープされた単層ナノチューブのキャリア濃度の評価♦ 1 層および 2 層エピタキシャルグラフェンの電気伝導特性♦ 人工細胞膜を利用した固体表面上での生体分子マニピュレーション♦ 受容体タンパク質を構成するサブユニット構造の観察♦ 人工細胞膜の自発展開の静電的制御◇ 量子電子物性研究部の研究紹介 ……………………………………………………………… 24♦ 振動ポテンシャル障壁を越える単電子共鳴活性化現象♦ グラフェンの磁気電気効果と熱電効果の理論検討♦ リンドープ SOI-MOSFET の電流注入発光における巨大シュタルク効果♦ 電気機械共振器を用いたパラメトリック周波数変換とロジック演算♦ GaAs カンチレバーにおけるキャリアを介した光－機械結合♦ 量子ホール領域におけるエッジマグネトプラズモンの電圧制御

♦ 半導体二重量子ドットにおけるトンネルダイナミクスの広帯域キャパシタンス測定♦ トンネルエネルギー可変型磁束量子ビットのコヒーレント制御♦ 超伝導量子ビットと結合した LC 共振器における非古典的光子状態の生成♦ 超伝導量子ビットを用いた量子ゼノン効果♦ 逆近接効果を考慮したアンドレーフ反射分光による p-In0.96Mn0.04As のスピン

偏極度評価
♦ 低密度 2 次元電子系の発光分光◇ 量子光物性研究部の研究紹介 ………………………………………………………………… 36♦ 二硼化マグネシウムナノ細線による通信波長帯単一光子の検出♦ 東京 QKD ネットワーク♦ 2 重量子ドットにおける近藤効果と電流雑音♦ 単一量子ドットを用いた共振器量子電磁力学♦ VLS 法による GaAs 基板上横方向ナノワイヤ♦ 金属型カーボンナノチューブのコヒーレントフォノン♦ 高性能 1 次元フォトニック結晶シリコン／ SOI ナノ共振器♦ GPGPU を利用した FDTD 計算の高速化

Ⅱ . 資料◇ サイエンスプラザ 2010 ………………………………………………………………………… 45◇「ナノスケールの輸送と技術」国際シンポジウム (ISNTT2011) …………………………… 46◇ 第 6 回アドバイザリボード（2010 年度）……………………………………………………… 47◇ 表彰受賞者一覧（2010 年度）…………………………………………………………………… 48◇ 報道一覧（2010 年度）…………………………………………………………………………… 50◇ 学術論文掲載件数、国際会議発表件数および出願特許数（2010 年）……………………… 52◇ 国際会議招待講演一覧（2010 年）……………………………………………………………… 54

NTT 物性科学基礎研究所

組織図2011 年 3 月 31 日付

所 長

横浜

至

ナノバイオ研究統括

主席研究員

鳥光慶一

企画担当

主席研究員

寒川哲臣

機能物質科学研究部

部

長

牧本俊樹

量子電子物性研究部

部

長

山口浩司

量子光物性研究部

部

長

都倉康弘

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )1

NTT 物性科学基礎研究所

所員一覧
2011 年 3 月 31 日付（* は年度途中までの在籍者）

物性科学基礎研究所
所長

横浜

至

ナノバイオ研究統括

主席研究員

鳥光慶一

企画担当主席研究員

寒川哲臣

総括担当主任研究員

武居弘樹
熊倉一英 *
新家昭彦
古川一暁 *

企画担当

研推担当主任研究員

NTT リサーチプロフェッサー

2

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )野村晋太郎（筑波大学）*
井上 恭（大阪大学）*

機能物質科学研究部

薄膜材料研究Ｇ
グループリーダ		

低次元構造研究Ｇ
グループリーダ

分子生体機能研究Ｇ
グループリーダ

部長

牧本俊樹

補佐

河西奈保子
鈴木 哲 *

山本秀樹
嘉数 誠 *
嘉数 誠
佐藤寿志
谷保芳孝
平間一行

小林康之
山本秀樹 *
赤坂哲也
熊倉一英
Krockenberger, Yoshiharu

日比野浩樹
前田文彦
鈴木 哲

古川一暁
神﨑賢一

尾身博雄
田邉真一

鳥光慶一
住友弘二
中島 寛
篠崎陽一 *

河西奈保子 *
樫村吉晃
田中あや

島田明佳
後藤東一郎
塚田信吾

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )3

量子電子物性研究部

ナノデバイス研究Ｇ
グループリーダ

ナノ加工研究Ｇ
グループリーダ

量子固体物性研究Ｇ
グループリーダ

超伝導量子物理研究Ｇ
グループリーダ

スピントロニクス研究Ｇ
グループリーダ

4

部長

山口浩司

補佐

山口 徹
山崎謙治 *
唐沢 毅

藤原 聡
小野行徳
登坂仁一郎

影島博之
山端元音

西口克彦
Lansbergen, Gabriel

山口浩司
山崎謙治
岡本 創
林 順三

山口 徹 *
畑中大樹

小野満恒二
Mahboob, Imran

村木康二
蟹沢 聖
林 稔晶
日達研一
佐久 規

佐々木 智
太田 剛
高瀬恵子

鈴木恭一
熊田倫雄
Gamez, Gerardo *

仙場浩一
中ノ勇人
田中弘隆
Zhu, Xiaobo

齊藤志郎
角柳孝輔

狩元慎一
Kemp, Alexandre

田村浩之
入江 宏

山口真澄

赤﨑達志
原田裕一
関根佳明

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

量子光物性研究部

部長

都倉康弘

補佐

俵 毅彦
佐々木 智 *

量子光制御研究Ｇ
グループリーダ

量子光デバイス研究Ｇ
グループリーダ

フォトニックナノ構造研究Ｇ
グループリーダ

都倉康弘
清水 薫
山下 眞
向井哲哉
玉木 潔
松田信幸
久保敏弘

寒川哲臣
中野秀俊
鎌田英彦
小栗克弥
Zhang, Guoquiang

井桁和浩
熊谷雅美
柴田浩行
武居弘樹 *
本庄利守
森越文明
橋本大祐
東 浩司
Munro, William John 稲葉謙介

西川 正
舘野功太
石澤 淳
加藤景子

納富雅也
横尾 篤
倉持栄一
谷山秀昭
⻆倉久史
Roh, Young-Geun * Kim, Jimyung
Birowosuto, Danang

後藤秀樹
俵 毅彦 *
眞田治樹

新家昭彦 *
野崎謙悟

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )5

上席特別研究員

納富雅也

昭和 63 年東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻修士課程修了。同年日本電信電話（株）入社、NTT 光エレクトロニクス研究所勤務。平成 7
年から 8 年リンシェピング大学（スウェーデン）客員研究員。平成 11 年より NTT 物性科学基礎研究所。平成 13 年より特別研究員、平成 22 年より上席特別研究員。現在同所量子光物性研究部フォトニックナノ構造研究
グループリーダ。入社以来一貫して人工ナノ構造による物質の光学物性制御およびデバイス応用の研究を行う。量子細線、量子箱の研究を経て、現在フォトニック結晶の研究に従事。工学博士（東京大学）。2006/2007
IEEE/LEOS Distinguished Lecturer Award 受賞。平成 20 年度学術振興会賞受賞。平成 20 年度日本学士院学術奨励賞受賞。平成 22 年度文部科学大臣
表彰科学技術賞（研究部門）受賞。平成 22 年より文部科学省国立大学法人評価委員。東京工業大学理学部物理学科連携客員教授を兼任。日本応用物理学会、APS、IEEE、OSA 会員。

6

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )特別研究員藤原聡

平成元年東京大学工学部物理工学科卒業。平成 6 年同大学院工学系研
究科物理工学専攻博士課程修了。同年日本電信電話（株）に入社、LSI 研究所勤務。平成 8 年に基礎研究所、平成 11 年より NTT 物性科学基礎研究所。入社以来、シリコンナノ構造の物性制御とそのデバイス応用、単電子デバイスの研究に従事。現在、物性科学基礎研究所量子電子物性研究部ナノデバイス研究グループリーダ。平成 15~16 年米国 National Instituteof Standards and Technology (NIST, Gaithersburg) 客員研究員。平成 10 年に国際固体素子 ･ 材料コンファレンス SSDM'98 Young Researcher Award、平成 11 年に SSDM'99 Paper Award 受賞。平成 15 年および平成 18 年に日本応用物理学会 JJAP 論文賞受賞。平成 18 年文部科学大臣表彰若手科学者賞受賞。日本応用物理学会、IEEE 会員。

村木康二

平成元年東京大学工学部物理工学科卒業。平成 6 年同大学院工学系研
究科物理工学専攻博士課程修了。同年日本電信電話（株）に入社、基礎研究所勤務。平成 11 年より NTT 物性科学基礎研究所。入社以来、高移動度半導体へテロ構造の結晶成長とその量子電子物性の研究に従事。現在、
NTT 物性科学基礎研究所量子電子物性研究部量子固体物性研究グループリーダ。平成 13~14 年ドイツマックスプランク研究所（シュトゥトガルト）客員研究員。日本物理学会、応用物理学会会員。

山口浩司

昭和 59 年大阪大学理学部物理学科卒業。昭和 61 年同大学院理学研究科物理学専攻博士前期課程修了。同年日本電信電話（株）に入社。以来、
電子線回折、走査型トンネル顕微鏡などの手法により、化合物半導体の表面物性を実験的に解明する研究に従事。約 10 年前より半導体ヘテロ接合構造を用いた微小機械素子の研究に取り組んでいる。平成 5 年工学博士。平成 7~8 年英国ロンドン大学インペリアルカレッジ客員研究員。平成 15 年独国 Paul Drude 研究所客員研究員。平成 18 年より東北大学理学部客員教授。平成 20~21 年応用物理学会理事。現在、量子電子物性研究部長・
ナノ加工研究グループリーダ兼務。応用物理学会、日本物理学会会員。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

7

谷保

芳孝

平成 8 年千葉大学工学部電気電子工学科卒業。平成 13 年同大学院自然科学研究科多様性科学専攻博士課程修了。同年、日本電信電話（株）NTT
物性科学基礎研究所、リサーチアソシエイト。平成 15 年、同社入社、同所勤務。現在、同所機能物質材料研究部薄膜材料研究グループ主任研究員。ワイドバンドギャップ窒化物半導体、特に窒化アルミニウム (AlN)の結晶成長、物性、デバイス応用に関する研究に従事。平成 13 年に応用物理学会講演奨励賞、平成 19 年に 2007 Semiconducting and Insulating
Materials Conference Young Scientist Award、平成 23 年に文部科学大臣表彰
若手科学者賞を受賞。応用物理学会会員。

熊田倫雄

平成 10 年東北大学理学部物理学科卒業。平成 15 年同大学院理学研究科物理学専攻博士課程修了。同年日本電信電話（株）に入社、NTT 物性科学基礎研究所勤務。入社以来、半導体へテロ構造における量子電子物性の研究に従事。平成 20 年日本物理学会若手奨励賞受賞。日本物理学会
会員。

8

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )アドバイザリボード（2010 年度）
Name

Affiliation

Prof. Gerhard Abstreiter

Walter Schottky Institute, Germany

Prof. Boris L. Altshuler

Department of Physics, Columbia University, U.S.A.

Prof. Serge Haroche

Département de Physique,
De l'Ecole Normale Supérieure, France

Prof. Theodor W. Hänsch

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Germany

Prof. Mats Jonson

Department of Physics, Göteborg University, Sweden

Prof. Anthony J. Leggett

Department of Physics,
University of Illinois at Urbana-Champaign, U.S.A.

Prof. Johan E. Mooij

Kavli Institute of Nanoscience,
Delft University of Technology, The Netherlands

Prof. John F. Ryan

Clarendon Laboratory, University of Oxford, U.K.

Prof. Klaus von Klitzing

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Germany

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )9

招聘教授／客員研究員（2010 年度）
氏名
羽柴

所属
秀臣

量子科学研究所

Apr. 2010 – Mar. 2011

Dr. Lars Tiemann

科学技術振興機構 (JST)Apr. 2010 – Mar. 2011田邉

慶應義塾大学理工学部電子工学科
専任講師

Apr. 2010 – Mar. 2011

Prof. David Cox

University of Surrey, U.K.

Apr. 2010 – Jun. 2010

Prof. Tobias Nyberg

Royal Institute of Technology,
SwedenJul. 2010 – Aug. 2010

Ms. Katherine Brown

University of Leeds, U. K.

Sep. 2010

Dr. Stefan Fölsch

Paul-Drud-Institute, Germany

Oct. 2010

Prof. Johan Elisa Mooij

Delft University of Technology,
The Netherlands

Oct. 2010 – Nov. 2010

Prof. Yuli V. Nazarov

Delft University of Technology,
The Netherlands

Nov. 2010

Prof. Amnon Aharony

Ben Gurion University of the
Negev, Israel

Jan. 2011 – Feb. 2011

Prof. Ora Entin-Wohlman

Ben Gurion University of the
Negev, Israel

Jan. 2011 – Feb. 2011

Dr. Daniel Paul Collins

University of Oxford, U. K.

Jan. 2011 – Feb. 2011

植田

Ben Gurion University, Israel

Jan. 2011 – Feb. 2011

早稲田大学 理工学術院
先進理工学部 応用物理学科

Feb. 2011 – Mar. 2011

孝純

暁子

小田原

10

日本大学
助教

期間

玄樹

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

海外研修生（2010 年度）
氏名

所属

期間

Oliver Johan Pirquet

University of Victoria, Canada

Sep. 2009 – Apr. 2010

Jessica Sparks

University of Waterloo, Canada

Sep. 2009 – Apr. 2010

Arianne McAllister

University of Ottawa, Canada

Sep. 2009 – Aug. 2010

Fabio Massimo Zennaro

Politecnico di Milano, Italy

Jan. 2010 – Aug. 2010

Gary Wolfowicz

Ecole Normale Supérieure (ENS) de Cachan, France

Jan. 2010 – Aug. 2010David Framil Carpeno

Complutense Univeristy of Madrid, Spain

Jan. 2010 – Aug. 2010

Jan Fiala

Czech Techinical University in Prague, Czech Republic

Jan. 2010 – Aug. 2010

Juan Manuel Agudo
Carrizo

Polytechnic University of Valencia (UPV), Spain

Jan. 2010 – Aug. 2010

Romain Duval

INSA (Institut National des Sciences
Appliquées de Toulouse), France

Feb. 2010 – Aug. 2010

Kylie Ellis

The University of Adelaide, Australia

Mar. 2010 – Apr. 2010

松崎

University of Oxford, U.K.

Mar. 2010 – Apr. 2010

Shaun Lee

University of British Columbia, Canada

May. 2010– Dec. 2010

Nadege KainaESPCI (Ecole Supérieure de Physiqueet de Chimie Industrielle), France

July. 2010 – Dec. 2010

Quentin Wilmart

ESPCI (Ecole Supérieure de Physiqueet de Chimie Industrielle), France

July. 2010 – Dec. 2010

Antoine GaumeESPCI (Ecole Supérieure de Physiqueet de Chimie Industrielle), France

July. 2010 – Dec. 2010

Mohamed Oudah

University of Ottawa, Canada

Sep. 2010 – Sep. 2011

Yasir Makhdoom

University of British Columbia, Canada

Sep. 2010 – Sep. 2011

Jessica Planade

ESPCI (Ecole Supérieure de Physiqueet de Chimie Industrielle), France

Sep. 2010 – Dec. 2010

Jelena Baranovic

University of Oxford, U.K.

Nov. 2010 – Dec. 2010

Roberto Lo Nardo

Palermo University, Italy

Jan. 2011 – Aug.2011

Diego Sabbagh

University of Studies "Roma Tre", Italy

Jan. 2011 – Aug.2011

Bas van den Broek

Delft University of Technology, The Netherlands

Jan. 2011 – Mar. 2011

Yibo Fu

University of Toulouse, France

Feb. 2011 – Sep. 2011

雄一郎

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )11

国内実習生（2010 年度）
氏名

期間

森田

康平

九州大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

相原章吾

慶応義塾大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

小田康彦

東京大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

渡邉敬之

東北大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

高倉樹

東京大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

塩谷広樹

東京大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

小林嵩

東北大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

岡崎雄馬

東北大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

楠戸

健一郎

東京大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

桝本尚之

東京大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

鎌田

大

東京工業大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

森川祐

筑波大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

髙橋

弘史

東京工業大学大学院

H22.4.1～ H23.3.26

国橋要司

東北大学大学院

H22.4.1～ H23.3.31

稲葉

工

東京理科大学大学院

H22.4.15 ～ H23.3.30

馬場

達也

東京理科大学H22.5.10 ～ H23.3.31

東北大学大学院

H22.8.9～ H22.9.3～ H22.9.3

栂

12

所属

裕太

鈴木

聡一郎

弘前大学

H22.8.9加藤拓己

東北大学大学院

H22.8.11 ～ H22.9.7

三橋将也

長岡技術科学大学

H22.10.4 ～ H23.2.18

相場

崇

長岡技術科学大学

H22.10.4 ～ H23.2.18

桐生

貢

長岡技術科学大学

H22.10.4 ～ H23.2.25

上田雄二

早稲田大学大学院

H22.10.4 ～ H22.12.27

武井優典

東京理科大学H22.10.13～ H23.3.31

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )Ⅰ．研究紹介

各研究部の研究概要
機能物質科学研究部
牧本俊樹
機能物質科学研究部（物質部）では、原子・分子レベルでの物質制御・配列制御に基づく新物質の創製・新機能デバイスの構築および生体機能を利用した革新的デバ
イスの提案を中心に、情報通信技術に大きな変革を与えることを目指して研究を進めています。
この目標に向かって、物質部では 3 つの研究グループが、広範囲な物質材料を対象とした研究を進めています。その範囲は、窒化物半導体、ダイヤモンド、グラフェン、
銅酸化物高温超伝導薄膜などの高性能薄膜材料から、Au ナノロッドなどのナノ材
料、さらには、受容体タンパク質などの生体分子に至り、独自の物質創製技術や制御技術、精密測定技術を基に最先端の研究を行っています。
この 1 年では、窒化アルミニウムの発光特性、グラフェンの電気伝導特性、受容体
タンパク質の構造観察において、大きな研究の進展が見られました。

量子電子物性研究部
山口浩司
量子電子物性研究部（物性部）は、21 世紀の情報通信技術に大きな変革をもたらす
半導体や超伝導体を用いた固体デバイスの研究を推進しています。特に、高い技術力を誇る薄膜結晶の成長技術やナノメータースケールの微細加工技術を武器に、これらの材料を用いて作製したナノデバイスの研究に力を入れています。
物性部の 5 つのグループで進めている研究は、単一電子の正確でダイナミックな制
御、低消費電力を実現するナノデバイス、ナノスケール構造体の力学的特性を用いたナノメカニクス素子、半導体や超伝導体のコヒーレント制御、半導体ナノ・ヘテ
ロ構造におけるキャリア相関、電子スピンや核スピンの操作を目指したスピントロ
ニクス、などです。これらの研究を支える最先端のナノリソグラフィ、高品質結晶
成長や第一原理計算をはじめとした理論研究についても活発に研究を進めています。

量子光物性研究部
都倉康弘
量子光物性研究部（量光部）は光通信技術や光情報処理技術に大きなブレークス
ルーをもたらす革新的基盤技術の提案、ならびに、量子光学・光物性分野における学術的貢献を目指して研究を進めています。
量光部のグループでは、ナノ構造における半導体光物性研究をベースにして、極微弱な光の量子状態制御、高強度極短パルス光による新物性探索、2 次元フォトニッ
ク結晶による超小型集積光回路などの研究が行われています。
この 1 年で、二硼化マグネシウムナノ細線による通信波長帯単一光子の検出、量子鍵配送のフィールド実験、カーボンナノチューブのコヒーレントフォノン観測、初めてアトジュール領域の消費エネルギーで動作する光スイッチなどの進展が見られました。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )13

MBE 法によるロバストな超伝導特性を示す Pr2Cuo4 の作製
山本秀樹

クロッケンバーガー賢治 松本理* 山神圭太郎 三橋将也
機能物質科学研究部 *東京農工大学

内藤方夫 *

銅酸化物高温超伝導体は、一般にドープされたモット絶縁体（電荷移動絶縁体）と考えられているが、我々は、T’-RE2-xCexCuO4（RE は希土類イオン）の母物質 (x = 0) が超伝導性を示すことを報告している[1、2]。この違いは、T’ 構造銅酸化物の物性が複雑な酸素化学によって支配されていることに起因すると考えられる。母物質が超伝導体か絶縁体かは、高温超伝導機構を理解する上で本質的で、高品質試料を用いた更なる研究が必要であるとの観点か
ら、我々はMBE 成長したPr2CuO4 の超伝導化に取り組んだ。
Pr2CuO4 の超伝導化には、二段階アニール法による成膜後の還元処理が必要であったが、アニール条件の系統的な最適化により、Tc = 26 K (Δ Tc < 0.5 K)で金属的な伝導特性 (ρ RT =400 μΩcm, RRR = 10)を持つ試料が得られた（図 1）。抵抗率は第 2ステップのアニール温度
が Tred = 475-500°C のとき最低のρ (30 K) ~ 40 μΩcmとなり、最高の Tc ~ 26 KもTred = 500°Cの試料で得られた。図 2に、試料表面に平行に磁場を印加して測定した磁化の温度依存性を示す。明瞭な反磁性信号 (Tconset = 23 K) が観測されており、超伝導性がロバストなものであることが分かる。これは、特別なアニール法により、ほぼ理想的な酸素副格子が実現し、母物質の持つ本来の物性が現れたためと考えられる。このような観測結果は、T’ 構造を持つ銅酸化物の母物質は、必ずしもMott 絶縁体（電荷移動絶縁体）ではないという最近の理論的な研究結果 [3、4]とも整合する。
[1] O. Matsumoto et al., Phys. Rev. B 79 (2009) 100508R.
[2] H. Yamamoto et al., Solid State Commun. 151 (2011) 771.
[3] C. Weber et al., Nature. Phys. 6 (2010) 574; Phys. Rev. B 82 (2010) 125107.
[4] H. Das and T. Saha-Dasgupta, Phys. Rev. B 79 (2009) 134522.

図1

14

Pr2CuO4 薄膜のρ -T 特性のTred（2 段階アニー
ル法における第 2ステップのアニール温度）依存
第 1ステッ性。
試料は、Tred でのアニールに先立ち、
プでP aO2 = 1 x 10-4 Torrの還元雰囲気下で、Ta= 750°Cでアニールされている。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

抵抗率測定で最も高いTcを示したPr2CuO4 薄膜の磁化 (M) - 温度 (T) 特性。膜厚 1000Åの薄膜において、シールディング反磁性に加えマイス
ナー反磁性も明瞭に観測されている。

MOVPE 選択エピタキシを用いた GaN の核およびスパイラル成長機構の解明
赤坂哲也 小林康之 嘉数誠
機能物質科学研究部
結晶の成長様式には核成長や螺旋成長モードがあることが知られており、一般的な結晶成長ではこれら2つの成長モードが混在している。本研究では、窒化物半導体のGaNに関して、純粋な核成長や螺旋成長モードを実現することにより、結晶の成長機構を実験的に明らかすることを検討した。
転位密度が低いGaN(0001) 基板の表面にSiO2 マスクを形成した後、フォトリソグラフィにより
１辺が 8 μm（直径 16 μm）の正六角形の開口部を開けた。これを基板とし、有機金属気相成
長装置 (MOVPE)を用いてGaN 薄膜の選択エピタキシを行った。原料ガスは、アンモニアおよびトリメチルガリウムである。GaN 薄膜の表面は原子間力顕微鏡 (AFM)で観察した。
マスクの開口部内に螺旋転位や混合転位が全くない場合、純粋な核成長によりGaNのステッ
プフリー面（1 分子層の段差も存在しない平滑面）が形成された[1]。一方、マスクの開口部
内に螺旋転位や混合転位が存在すると、これらの転位を中心に螺旋成長が起こり、表面には成長スパイラルが観察された（図 1）。成長スパイラルのステップ間隔から、成長の駆動力である過飽和度を見積もることができる。図 2に示したのは、このようにして求めた過飽和度と、核
成長、および、螺旋成長モードにおける成長速度の関係をプロットしたものである[2]。過飽和
度の増加に対して、螺旋成長速度は2 次関数的に増加する一方、核成長速度は非常に小さな値を持つことが分かった。また、図中の実線、および、破線は、結晶成長速度の過飽和度依存性を予測するBCF 理論 [3]を用いた、螺旋成長、および、核成長速度のフィッテイング結果であるが、実験結果とよく一致している。
本手法を用いることで、GaNのステップフリー面を実現することができたうえ、一回の成長で同一の基板上に、純粋な核成長と螺旋成長モードを実現し、その成長機構を詳細に検討することが可能となった。
[1] T. Akasaka et al., Appl. Phys. Express 2 (2009) 191002.
[2] T. Akasaka et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 141902.
[3] W. K. Burton et al., Phil. Trans. Roy. Soc. A 243 (1951) 299.

図1

成長スパイラル中心付近のAFM 像。

図2

螺旋および核成長速度の過飽和度依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )15

AlN 遠紫外発光ダイオードの高効率化
谷保芳孝 嘉数誠
機能物質科学研究部
窒化アルミニウム(AlN)は、直接遷移型半導体で最大のバンドギャップ 6 eVを有することか
ら、波長 210 nmで発光する最短波長発光半導体として期待されている。我々は、これまでに、
AlNのp 型および n 型ドーピングを実現し、波長 210 nmの遠紫外発光ダイオード(LED)の動作に成功した[1]。今回、AlN 遠紫外 LEDのバンド端発光の起源を同定し、バンド端発光強度が結晶面に大きく依存するAlNの特性を活かした高効率 LED 構造を提案する。
まず、AlNのpn 接合によるC 面 LED 構造を有機金属気相成長 (MOVPE) 法によりC 面 SiC
基板上に成長した。今回、ドナーとして働く窒素空孔によるアクセプタの補償を抑制するため、
p 型 AlN 層を高アンモニア流量で成長したところ、正孔濃度は1 桁増加し、LEDの発光効率–6–4は従来の8×10 から1×10 %まで増加した[2]。強度が増大した波長 210 nmのバンド端発光ピークを解析した結果、結晶場分裂正孔バンドに由来するエキシトン発光 (FXCH) が支配的であり、その低エネルギー側にFXCH のLOフォノンレプリカ、高エネルギー側に重い正孔／軽い正孔バンドに由来するエキシトン発光 (FXHH/ＬＨ)を観測した（図 1）。格子歪みが価電子帯構造に与える影響を考慮し、FXCHとFXHH/ＬＨのエネルギー差から、AlNの結晶場分裂エネル
ギー ΔCRを–165 meVと同定した。この負の結晶場分裂エネルギーにより、pZライクな状態を持
つ結晶場分裂正孔バンドが価電子帯最上端に位置するため、バンド端発光の電場ベクトルEはc 軸方位に偏光する(E||c)。この結果、AlNではC 面からの発光は弱く、C 面と垂直なA 面からの発光が強い。
AlNやGaNなど窒化物半導体では、C 面成長の場合に良質な結晶が得られやすいため、
C 面 LED 構造が作製されてきた。しかし、AlNではE||c 偏光により、LED 表面を従来のC 面
からA 面にすることで、光取り出し効率を増加できる。我々は、A 面 SiC 基板を用いることでA
面 LED 構造を成長し、C 面 LEDと同じく波長 210 nmの電流注入発光に成功した[3]。そして、
A 面 LEDは、従来のC 面 LEDと異なり、表面方向 (θR = 0°)から強く発光することを確認した（図 2）。この結果はAlN 遠紫外 LEDの高効率化にA 面 LED 構造が有望であることを示している。
[1] Y. Taniyasu, M. Kasu, and T. Makimoto, Nature 441 (2006) 325.
[2] Y. Taniyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 131910.
[3] Y. Taniyasu and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 221110.

(a)
図1
16

(b)

(a) AlN LEDの発光スペクトルと (b)AlNのバンド間遷移。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

A 面とC 面 AlN LEDの放射特性。

単結晶ダイヤモンド基板上に成長した AlGaN/GaN HEMT
平間一行 谷保芳孝 嘉数誠
機能物質科学研究部
AlGaN/GaN 高電子移動度トランジスタ(HEMT)は高周波高出力デバイスへの応用が期待されているが、現在その出力電力密度は基板材料の熱伝導率に大きく制限されている。単結晶ダイヤモンドは物質中最高の熱伝導率 (~22 W/cmK)を有しているため、ダイヤモンド上に
AlGaN/GaN HEMTを作製できると、格段に高い高周波出力電力動作が期待できる。しかし、
ダイヤモンドはダイヤモンド構造、窒化物半導体はウルツ鉱構造と結晶構造が異なるため、ダイ
ヤモンド基板上への窒化物半導体の単結晶成長は非常に困難である。最近、我々は窒化物
半導体の(0001) 面と類似の原子配列を有するダイヤモンド(111) 面方位基板を用いることにより、ダイヤモンド基板上への単結晶 AlN(0001) 薄膜の成長に成功した[1、2]。
そこで単結晶 AlNをバッファ層として用いて、半絶縁性ダイヤモンド(111) 基板上にAlGaN/
GaN HEMT 構造を有機金属気相成長 (MOVPE) 法により成長した。まずダイヤモンド基板を水素雰囲気、高温 1200°Cでサーマルクリーニングしてアモルファス表面層を除去し、続いてAlN
バッファ層 (180 nm)、クラックの形 成を防ぐためのAlN/GaN 多 層 膜（20 周 期 AlN:3 nm/
GaN:17 nm）、GaN 層 (600 nm)、AlNスペ ー サ 層 (1 nm)、Al0.25Ga0.75N バリア 層 (30 nm)、GaNキャップ層 (4 nm)の順に成長した。X 線回折測定によりダイヤモンド基板上のAlGaN/
GaN HEMT 構造の単結晶成長を確認した。AlGaN/GaN HEMT 構造における二次元電子ガ–2スの形成はホール効果測定により確認した。室温でのシートキャリア密度は1×1013 cm 、電子
2
移動度は730 cm /Vsであった。
ダイヤモンド基板上に作製したゲート長 3 μmのAlGaN/GaN HEMTの最大ドレイン電流は220 mA/mmであり、良好なピンチオフ特性が得られた。図 1はAlGaN/GaN HEMTの高周波
最大安定電力利得 (MSG)、
最大有能電力利得 (MAG)
小信号特性である。電流利得 (|H21|2)、の周波数依存性から得られた遷移周波数 (fT)と最大発振周波数 (fmax)は、それぞれ 3 GHz、
7 GHzであった。次にダイヤモンドとSiC 基板上に同一構造のAlGaN/GaN HEMTを作製し、直流動作時のデバイス温度を比較した。図 2(a)はデバイス温度測定のセットアップ、図 2(b)(c)はそれぞれダイヤモンドとSiC 基板上に作製したAlGaN/GaN HEMTの側面の温度分布である。直流 2 W 動作時にダイヤモンド基板上ではデバイス温度上昇が13°C (23°Cから36°C) であったのに対して、SiC 基板上では23°C (23°Cから46°C)と 高く、ダイヤモンド基板がデバイス
温度上昇の抑制に有効であることを確認した。デバイス温度のドレイン損失依存性から算出したダイヤモンド基板上のAlGaN/GaN HEMTの熱抵抗は4.1 Kmm/Wであり、SiC 基板上のAlGaN/GaN HEMTの熱抵抗 (7.4 Kmm/W)の約 1/2である［図 2(d)］[3]。
この低い熱抵抗は、単結晶ダイヤモンドの高い熱伝導率に由来する。以上より、単結晶ダイヤモンド基板上のAlGaN/GaN HEMTは高出力動作に有望なデバイス構造であることを確認した。
[1] Y. Taniyasu and M. Kasu, J. Cryst. Growth 311 (2009) 2825.
[2] K. Hirama, Y. Taniyasu, and M. Kasu, J. Appl. Phys. 108 (2010) 013528.
[3] K. Hirama, Y. Taniyasu, and M. Kasu, Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 162112.

図1

ダイヤモンド基板上に成長したAlGaN/GaN HEMTの高周波小信号特性。

図2(a)デバイス温度分布測定のセットアップ (b) 直流 2 W(3.2 W/mm)
動作時のダイヤモンドと (c)SiC 基板上に作製したAlGaN/GaN HEMTのデバイス温度分布 (d) デバイス温度のドレイン損失依存性。
NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )17

高度に集積化可能な人工細胞膜マイクロアレイ
古川一暁
機能物質科学研究部
DNAチップに代表される生体分子のマイクロアレイは、網羅的解析を特徴とするバイオチップ
として幅広く応用されている。ハイスループットなマイクロアレイの開発には、生体分子をその機能を維持したまま、
集積度高く固体表面に固定化する技術が必須である。われわれはそのプラットフォームとして重要な人工細胞膜マイクロアレイの新規作製法を開発した。さらに本作製法を用いてバイオセンサを構築し、その動作を確認した。
人工細胞膜の形成には、自発展開と呼ばれる固液界面における脂質分子の自己組織化現
象を利用した。われわれの手法は、固体表面に作製した親水／疎水パターンによって、人工細胞膜の自発展開位置を制御することを特徴とする[1]。このとき、パターンを工夫することによって、マクロな領域から開始した自発展開をミクロな領域へ、それぞれの成分が混合することなく、導くことができる。この手法で、組成の異なる10 μm 幅の人工細胞膜を、それぞれ 5 μm の距
離を離して配置したマイクロアレイを作製した（口絵）。ベシクル融合法と呼ばれる溶液プロセスを利用した従来手法と比較すると、本手法は人工細胞膜マイクロアレイの集積度を原理的に100 倍以上向上させることが可能である[2]。
本手法で作製したマイクロアレイを用いたバイオセンシングの原理確認のため、ビオチン結合
脂質分子を添加した人工細胞膜を一部に含むマイクロアレイを作製した。これを赤色発光色素が結合したストレプトアビジン溶液に浸漬し、その前後での蛍光の変化を観察した。ストレプトア
ビジン浸漬前の図 1(a)ではNBD 由来の緑色蛍光のみ観察された。浸漬後 90 分経過した
図 1(b)では、ストレプトアビジンの特異結合が生じた結果、ビオチンを含む細胞膜が赤色蛍光を示した。ビオチンを含まない人工細胞膜領域からの赤色発光は限定的で、生体分子特異的なセンシングが可能であることを実証した。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] K. Furukawa et al., Lab Chip 6 (2006) 1001.
[2] K. Furukawa and T. Aiba, Langmuir 27 (2011) 7341.

(a):

図1

18

緑蛍光

(b) 緑蛍光＋赤蛍光 =

緑蛍光

+

赤蛍光

作製した人工細胞膜マイクロアレイ。細胞膜の主成分は卵黄から抽出した脂質分子であり、上段 3 本にはNBD 結合脂質 1モル%、中段 3 本にはビオチン結合脂質 1モル%、下段 3 本にはそれらの両方を混合した。
(a)ストレプトアビジン溶液浸漬前、(b) 90 分浸漬後のレーザ共焦点顕微鏡像。緑色蛍光はNBD 由来、赤色蛍光はストレプトアビジンに結合した色素由来である。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

ドープされた単層ナノチューブのキャリア濃度の評価
鈴木哲 日比野浩樹
機能物質科学研究部
熱化学気相成長 (CVD) 法は単層カーボンナノチューブ(SWNT)の合成手法として広く用いられている。しかしながら、ドープされたSWNTの直接合成は未だ十分に研究が進んでいない。
ドープされたSWNT 研究のさらに重要な問題点はドーピングの評価手法が確立していないことである。特にSWNT中のキャリア濃度を直接計測することは困難であり、従ってこれまでの報
告ではキャリア濃度の評価は行われていなかった。今回我々は、ホウ素 (B)、窒素 (N)を含む原料を用い、B、Nドープ SWNTのCVD 合成を行うとともに、キャリア注入によるラマンスペクト
ルの変化を観測し、ドープされたキャリア濃度の評価を行った[1]。
B、Nの原料としてホウ酸トリイソプロピル (C9H21BO3) とベンジルアミン (C7H9N) をそれぞれ用いた。これらの物質は炭素源としても作用する。SiO2/Si 基板上に担持したCo 薄膜を触媒にしてこれらの原料からB、Nドープ SWNTをCVD 合成することができた。また図 1に示すように、2つの原料を同時に供給してBNドープ SWNTを合成できることを明らかにした。
透過電子顕微鏡観察、およびラマン散乱 (radial breathing mode: RBM) 測定から直径が1-2 nmのSWNT が生成していることが分かった。図 2にB、N、および BNドープ SWNT、並びにドープしていないSWNTのG バンドのラマンスペクトルを示す。ドーパントの種類によらずドー–1
プ SWNTのG バンドがドープされていない試料に対して高波数側へ 3-6 cm だけシフトすることが観測された。ドーピングの種類（電子あるいはホールドープ）に依らないこのG バンドの高波数側へのシフトは、半導体 SWNT中のフェルミレベルのシフトによる電子 - 格子相互作用の変化がフォノンエネルギーを変化させたためと考えられる。元々 G バンドフォノンは電子格子相互作用によるコーン異常の効果によって低波数側にシフトしている。フェルミレベルのシフトは電子格子相互作用を減少させ、従ってコーン異常の効果を減少させる。結果としてキャリアドープによるフェルミレベルのシフトはG バンドの高波数化を引き起こす。この効果が顕わになるのは半導体 SWNT中のフェルミレベル位置が価電子帯あるいは伝導電子帯に達した時である。従って
図 2に示す結果はドープされたSWNT中のフェルミレベルが価電子帯、あるいは伝導電子帯中に位置していることを示している。G バンドのシフトの大きさからキャリア濃度を見積もることもできる。SWNTの平均直径が ~1.5 nmであることを考えると、見積もられるキャリア濃度は0.4-0.8%という非常に大きな値となった。
[1] S. Suzuki and H. Hibino, Carbon 49 (2011) 2264.

図1

BNドープ SWNTのSEM 像。
スケールバーは5 μm。

図2

B、N、BNドープ SWNT、およびドープしていないSWNTのGバンドスペクトル。
数字はピー
ク位置。励起光波長は785 nm。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )19

1 層および 2 層エピタキシャルグラフェンの電気伝導特性
田邉真一 1 関根佳明 2 影島博之 2 永瀬雅夫 3 日比野浩樹 1
1
機能物質科学研究部 2 量子電子物性研究部 3 徳島大学
1 層グラフェンと2 層グラフェンは、高速デバイスや論理デバイスなどの材料として期待されているが、一般的に用いられているグラフェンの製法であるグラファイトの剥離法で得られるグラフェ
ンの大きさは数十マイクロメートル角程度であり、大面積で得られ難いという問題がある。我々はグラフェンのウエハスケール成長法として、エピタキシャル成長が可能なSiCの熱分解法に注目しており、SiC(0001)のAr 雰囲気中のアニールによって1 層グラフェンを、超高真空中のアニー
ルにより2 層グラフェンを作り分けることに成功している。成長したグラフェンの特性を調べるため、これらをチャネルとしたトップゲート素子を作製し、その特性を調べた。
図 1は1 層グラフェン素子における、面直方向の磁場に対する縦抵抗、およびホール抵抗の磁場依存性である。ホール抵抗は1 層グラフェン特有の抵抗値で磁場に対して一定となり、その時の縦抵抗は極小値をとる。さらに高磁場では縦抵抗がゼロになることから、量子ホール効果を観測できたことが分かる。また、ゲート電圧 (Vg)によってキャリア濃度を減少させると移–2–1 –1
動度は増加し、3×1010 cm のキャリア濃度で2 Kでは10,000 cm2 V s 以上と、SiO2 上に転写した剥離 1 層グラフェンに匹敵する移動度を得た[1]。図 2は2 層グラフェンの2 Kから300 Kまでの抵抗のゲート電圧依存性である。全ての温度において抵抗は電荷中性点で極大値をとり、その抵抗値は温度に強く依存することが分かった[2]。これはSiC 基板との相互作用によって開いたバンドギャップに起因する。以上のように、成長した1 層グラフェンで高品質グラフェンでしか得られない量子ホール効果を観測し、2 層グラフェンで論理デバイス応用に重要なバンド
ギャップを検出したことは、SiC 熱分解法が高品質なグラフェンを成長する手法として有望であることを物語っている。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] S. Tanabe et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 075102.
[2] S. Tanabe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 04DN04.

図120

1 層グラフェンの縦抵抗とホール抵抗の
磁場依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図 2 2 層グラフェンの2 Kから300 Kまでの抵抗のゲート依存性。

人工細胞膜を利用した固体表面上での生体分子マニピュレーション
中島寛 古川一暁
機能物質科学研究部
生体分子を利用した素子開発において、生体分子の機能や構造を保持したまま、基板上で分子を安定に担持できる“バイオインタフェース”の構築は重要な技術要素である。また、基板上で生体分子の位置・密度・配向が制御できれば、超高感度バイオセンサやインプラント型
バイオチップなど、多様な生体機能素子へむけた設計指針を示すことができる。今回、バイオインタフェースを担う材料として、細胞を構成する細胞膜に着目した。シリコンやガラスなどの固体基板上に、人工的に作製した細胞膜（人工細胞膜）を堆積させ、膜上の特定の位置に生体分子を固定化する、あるいは望みの位置に生体分子を輸送する、新たな生体分子マニピュ
レーション技術を見出した[1]。
細胞膜は、主にリン脂質分子 (lipid)から構成される。人工細胞膜では、用いるlipid 種によって、膜の流動性を制御することができる。本研究では、室温で高／低流動性を有する人工細胞膜を作り分け、さらに特定のアミノ酸（ヒスチジン基）を末端に持つタンパク質を特異吸着する“ニッケル錯体含有リン脂質分子 (Ni-lipid)”を膜中に混合し、人工細胞膜をデザインした。
図 1(a), (b)に、DSPC（低流動性 lipid）とNi-lipidからなる人工細胞膜のAFM 像を示す。両
lipidを50 %ずつ含む膜では、DSPC が局所的に集合したドメイン構造を形成し、Ni-lipidはドメイン以外の領域に均一に分布する。各 lipid 領域の高さの差は、わずか 1 nmである。また
膜中のドメインパターンは、各 lipidの混合比によって大きく変化する。この膜上に、末端ヒスチ
ジン基を有する緑色蛍光タンパク質 (GFP)を吸着させると、Ni-lipidの領域のみに選択的にGFP が固定化することが蛍光顕微鏡像から明らかとなった［図 1(c), (d)］。一方、DOPC（高流動性 lipid）とNi-lipidからなる人工細胞膜は、均一な膜構造を形成し、高い流動性を有する。
この膜は、溶液中で厚さ5 nmの単分子膜を自発的に成長させる性質があり[2]、これを利用したタンパク質の分子輸送をはじめて実証した。図 2は、マイクロ流路内を輸送されるGFPの時
間発展観察像である。この輸送特性は、既知の人工細胞膜拡散モデル［速度 (ν) = (β / 時間(t))1/2］と良く一致し、その展開速度係数 (β )は10.4 μm2/sであった。
人工細胞膜からなるバイオインタフェースは、生体分子間の情報伝達を解析する細胞膜モデル場として利用することも可能である。生体素子開発へむけた基盤材料開発とともに、基礎科学の側面からも、バイオインタフェースのポテンシャルを追求していく。
[1] H. Nakashima et al., Langmuir 26 (2010) 12716.
[2] K. Furukawa et al., Lab Chip 6 (2006) 1001.

図1

人工細胞膜のパターン形成とタンパク質の位置選択的吸着。

図2

人工細胞膜の自発展開を利用したタンパク質の分子輸送。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )21

受容体タンパク質を構成するサブユニット構造の観察
河西奈保子 田中あや Chandra S. Ramanujan*
機能物質科学研究部 *オックスフォード大受容体タンパク質は生体膜内に存在して生体内の情報伝達に重要な役割を果たしている。
受容体タンパク質は細胞外にあるシグナル分子（リガンド）と結合して、電気的もしくは化学的に細胞内に情報を伝達する微小でかつ高選択性を持つ素子である。また、多くの受容体タンパ
ク質は複数の単一タンパク質（サブユニット）の会合体である。受容体タンパク質の構造は主にX 線結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡法により検討されているが、受容体タンパク質が活性を有する状態での構造観察はほとんど行われていない。
我々は、タンパク質一分子を観察することができる解像度を有し、溶液中での観察が可能な
原子間力顕微鏡 (AFM)を用い、イオンチャネル型受容体タンパク質を、溶液中、すなわち受容体タンパク質が活性を持った状態で観察した。
強制発現させた昆虫細胞から受容体タンパク質を精製し（図 1）、透析法を用いて脂質二分子膜へ再構成した。再構成後の試料をAFMの試料台であるマイカ基板上に静置したあと観察溶液で洗浄し、基板に吸着した試料を観察した。透析により脂質二分子膜中に再構成された受容体が観察できた。抗体反応を用いた検討から、Ｎ末端が基板の上方を向いた状態
で再構成されていることを確認した。さらに本受容体を拡大して観察したところ、この受容体を構成している4つのサブユニッ
トと考えられる4つの構造物が観察され（図 2）、さらに、これらのサブユニットは、脂質二分子膜中で様々な形状を有していることが分かった。この結果から活性を有する受容体タンパク質が刺激を与えない状態でも熱揺らぎなどにより構造を変化させていることが初めて分かった[1]。
本研究の一部は、英国 Bionanotechnology IRCおよび科研費の援助を受けて行われた。
[1] N. Kasai et al., BBA Gen. Subj. 1800 (2010) 655.

図122精製したイオンチャネル型受容体の電気泳動による分析。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

脂質二分子膜中に再構成されたイオンチャネル型受容体のサブユニット構造のAFMによる観察(100x100 nm)。サブユニッ
ト位置を丸で記す。

人工細胞膜の自発展開の静電的制御
樫村吉晃 古川一暁
機能物質科学研究部
生体膜の基本構造である脂質二分子膜は、固体基板上に自己組織化により自発的に形成させることができる。我々はこの人工細胞膜の自発展開特性を利用して、ナノギャップ構造が脂質分子や膜に埋め込んだ分子の運動性に及ぼす影響について調べてきた[1、2]。本研究では、ナノギャップ構造を電極として利用し、ここに印加した電圧が自発展開挙動に及ぼす影響を検討した[3]。
卵黄由来の脂質 Egg-PCとEgg-PGの混合物（モル比 7:3）に、色素結合脂質 Texas RedDHPEを1 mol% 添加した。SiO2 基板上に幅 10 μmの流路とその両端に脂質の収容部を作製した。流路内にナノギャップ電極を備え、電極間に直流電圧を印加した。収容部の一端に試料を付着させ、0.1–100 mM NaClを含む緩衝液中に浸漬させ自発展開の時間発展を観察した。
図 1は流路に沿って自発展開する人工細胞膜の蛍光顕微鏡像である（電解質 100 mM
NaCl, ナノギャップ幅 5 nm）。ナノギャップ通過前は電圧印加による影響は見られなかったが［図 1(a)、(b)］、膜の先端がナノギャップに到達すると、電圧印加時に自発展開が停止する挙動が観測された［図 1(c)、(d)］。印加電圧を0 Vとすると膜は自発展開を再開した［図 1(e)(g)］。この自発展開の停止／進行の挙動は、印加電圧のON/OFFによって繰り返し観測された［図 1(h)-(l)］。この振る舞いには、ナノギャップ間における電気二重層（電解質濃度に依存）の存在が重要な寄与をしていることが、電気ポテンシャル計算や電解質濃度依存性の実験か
ら明らかになった。すなわち、マクロなスケールでは電解質溶液中における電場は対イオンの効
果により打ち消されてしまうが、ギャップの幅 (d)が電気二重層の厚さ(D)と同程度まで小さくなると（100 mM NaCl 水溶液で D ~ 1 nm）、ナノギャップ間に有効な電場が形成される。この強い電場により脂質分子がナノギャップ間に静電トラップされ、分子の供給がなくなるために自発展開が停止する（図 2）[3]。これはナノギャップを分子ゲートとして用いた初めての例であり、ナノバイオデバイスの要素技術として大きな期待が持たれる。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] Y. Kashimura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 47 (2008) 3248.
[2] Y. Kashimura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 04DL15.
[3] Y. Kashimura et al., J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 6118.
図 1（右）人工細胞膜の自発展開の時間発展。

図 2（上）人工細胞膜の静電トラップのメカニズム。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )23

振動ポテンシャル障壁を越える単電子共鳴活性化現象
宮本聡 1,2 西口克彦 1 小野行徳 1 伊藤公平 2
1量子電子物性研究部 2 慶応大学

藤原聡 1

電子 1 個 1 個の操作が可能な単電子転送デバイスは、電流標準や低消費電力回路への応用が期待されている。一方、比較的温度の高い条件では、古典的なブラウン粒子としての電子のダイナミクスを調べるのに適した系となっている。本研究では、時間に対して振動するポ
テンシャル障壁を越える粒子が示す共鳴活性化現象 [1]に着目し、単電子系での観測を行った。共鳴活性化は、障壁の振動周期と粒子の平均脱出時間のオーダーが一致するときに起こると理論的に予測されているが、トンネルダイオードの双安定状態などマクロスピックな系での観測に限られていた。
測定デバイスは、シリコンナノ細線と微細ゲートで構成される単電子転送デバイスである。
図 1(a)にデバイスの電子顕微鏡像、図 1(b)に転送動作のポテンシャル模式図を示す。ソース側の微細ゲートにクロック信号を入力して転送を行う単電子ラチェット[2]の手法を採用し、ソースからクーロン島へ単電子を捕獲し、ドレイン側へ放出する。その際、適切なゲート電圧条件を選ぶことにより、放出過程において図 1(c)のように熱活性化が支配的となる状況を得ることができる。さらに、障壁を形成するゲートに rf 信号 Arf（周波数 frf）を導入し、障壁に変調 Umを与える。単電子転送の測定は、温度 16 K、クロック周波数 fRC=16.6 MHzで行った。単電子放出過程における平均脱出時間τ avg は、転送電流の電子放出時間 tG1L（転送クロックが lowレベ
ルである時間）依存性を解析することにより見積もった。図 2にτ avg の frf 依存性を示す。ゲート
電圧 VG1Lを調節しτ avg のオーダーを変化させているが、いずれの場合もτ avg は1/τ avg 付近の周波数で共鳴的減少を示し、その共鳴周波数 fRES はτ avg が短いほど、高周波数側にシフトしている。これらの振舞いは、障壁に与えられた周期的変調と単電子の確率的な脱出過程の同期に
より事象発生確率が増大する共鳴活性化現象として理解することができる[3]。
[1] C. R. Doering and J. C. Gadoua, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 2318.
[2] A. Fujiwara, K. Nishiguchi, and Y. Ono, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 042102.
[3] S. Miyamoto et al., Phys. Rev. B 82 (2010) 033303.

図124(a)デバイスの電子顕微鏡像。(b) 単電子転送のポテンシャル模式図。(c) 振動障壁からの単電子脱出過程。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

平均脱出時間と障壁変調周波数との関係。VG1L により障壁高さの平均値を変化させている。

グラフェンの磁気電気効果と熱電効果の理論検討
影島博之 1 日比野浩樹 2 永瀬雅夫 3 関根佳明 1 山口浩司 1
1
量子電子物性研究部 2 機能物質科学研究部 3 徳島大学
グラフェンは原子 1 層の薄さの2 次元シートという特異な構造を持ち、様々な新しい物性・機能が期待できることから、理論により潜在能力探索を行った[1-3]。
磁気電気効果は、外部電界によって磁性を制御する効果である[1、3]。グラフェンの端はジグザグ構造を持つと磁性を示すことが理論予測されているが、SiO2 上に貼り付ける通常の自立グラフェンでは磁性の発現のために端を水素終端する必要があり、実現が難しい。一方、
SiC(0001) 表面を高温で熱することで形成されるエピタキシャルグラフェンは、形成初期に島状のグラフェンが形成されるため、これを制御することによってジグザグ構造の端を多く含んだ構造を得ることが期待できる。形成過程から判断すると、SiC 上のグラフェン島はCのsp2-σ 結合に切れ目がどこにもない特異な構造を有し、端を水素終端する必要がない（図 1）。しかも、下地SiCとの相互作用によって、グラフェンは負に帯電している。ジグザグ構造を持ったグラフェン端が磁性を示すためには電気的中性が必要なため、外部にゲート電極を用意し、電界効果によって電荷を中和するように正電荷を注入することで、磁性を発現させることができ、磁気電気効果を示すことが期待できる（図 1）。
熱電効果は温度差から電位差を作る効果であり、この効果を使って廃熱利用発電が期待されている[2、3]。従来のSiO2 上に貼り付けられたグラフェンにおいて熱電変換効率を示す指数 ZT0 は10–3 程度と遠く実用化に及ばないレベルであるが、しかしグラフェン上吸着物を1/1000に抑え、下地 SiO2 起源の遠隔光学フォノン散乱を抑制することができれば、実用化の判断基準となるZT0>1を電荷中性点近傍で実現可能である（図 2）。グラフェンは、資源豊富で安価であり、融点も高く、ゲートでp/n 極性を制御でき、しかも無害、軽量であることから、熱電効果材料としての期待度は高いと結論できる。
本研究の一部は科研費の補助を得て行われた。
[1] H. Kageshima et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 115103.
[2] H. Kageshima, Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 100207.
[3] H. Kageshima et al., Jpn. J. Appl. Phys., in press.

図1

SiC(0001) 上ジグザググラフェンナノリボンの原子構造と+8e 帯電時のスピン偏極分布。大きい丸はSi 原子、小さい丸はC 原子。

図2グラフェンの熱電変換指数 ZT0 のフェルミ
エネルギー ε F 依存性。従来時 (case 1)とキャ
リア散乱抑制時 (case 2)。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )25

リンドープ SOI-MOSFET の電流注入発光における巨大シュタルク効果
登坂仁一郎

西口克彦 小野行徳 影島博之
量子電子物性研究部

藤原聡

近年、Si中リン原子の電子状態は、固体量子コンピュータへの応用の観点から注目を集めている。本稿では、10 nm 以下のSilicon On Insulator (SOI)チャネルを有するリンドープ SOIMOSFETにおける電流注入発光 (EL)において、巨大なシュタルク効果を観測したので報告す
る[1]。
デバイスは、図 1(a)に示すリンドープポリシリコンからなるトンネルゲートを有するSOI-MOSFETである。評価を行ったデバイスのSOIの膜厚 (tSOI)は、8.5および 25 nmとした。上面ゲート酸化膜厚 (tFOX)および背面ゲート酸化膜厚 (tBOX)は、それぞれ 2および 400 nmである。図 1(b)に–3
デバイスのポテンシャル図を示す。また、SOI 層はデバイス作製時の熱処理により1017cm 程度のリンドープが行われている。ELスペクトルは、
温度 80 Kにて評価を行った。電子は、
上面ゲー+
トより注入され、同時にp コンタクトより正孔が SOI 層に注入される。図 2(a)は、tSOI = 25 nmのデバイスにおけるELスペクトルの背面ゲート電圧 (VBG) 依存性である。EL 強度は、VBG が増加するに従い急速に減少している。これは、VBGを増加させるとSOI 層に電界が加わり、電子は
SOI/BOX 界面に分布し、正孔と大きく分離するためと考えられる。一方 tSOI = 8.5 nmのデバイ
スでは、ELスペクトルは複雑な振る舞いを見せている［図 2(b)］。このデバイスでは、
中性ドナー
0と自由正孔の再結合発光に伴うD -hピークは、VBG = 136 V 時に50 meVに及ぶ巨大なシュタ
ルクシフトを示した。EL 強度は、tSOI = 25 nmのデバイスがほぼゼロとなるVBG においても高い値を示し、その後 VBG = 80 Vを超えた辺りから急速な減少を示した［図 2(c)］。急速なEL 強度の減少は、強い束縛状態からの電子解離により説明が可能である。SOI 膜厚が薄いデバイスでは、SOIに形成される三角井戸ポテンシャル内の準位がリン束縛準位に対し高いエネルギーを取る。したがって、薄いデバイスでは、リンに束縛された電子は、容易には解離しないため、SOI 膜厚が異なるデバイスで急速なEL 強度減少を示す電界に差が現れたものと考えられる。
[1] J. Noborisaka et al., Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 033503.

図 1 (a)デバイス側 面 図（ 上 ）。デバイス上 面 図（下）。(b)ソース・
ドレイン間のポテンシャル図（上）。
上面ゲートから背面ゲートにわたるポテンシャル図
（下）
。

26

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2(a)ELスペクトルのVBG 依存性 (tSOI = 25 nm)。
(b) (tSOI = 8.5 nm) 矢印は、D0-hピークを示す。
|VBG| ＝136 Vを除きVBG は10 Vステップである。
(c) EL 積分強度のVBG 依存性。

電気機械共振器を用いたパラメトリック周波数変換とロジック演算
Imran Mahboob

Emmanuel Flurin 西口克彦
量子電子物性研究部

藤原聡

山口浩司

現代のコンピュータを構成する基本素子として、半導体集積回路が用いられていることは周知の事実であるが、世界で最初に提案されたコンピュータが機械装置であったことは、あまり知られていない [1]。Mooreの法則が限界に近づき、省エネルギー素子の重要性が高まる昨今、
ナノスケールの機械を用いたコンピュータの研究が注目されている。しかし、様々な試みにもかかわらず、任意のブール代数を表現できる汎用的な論理素子は未だ実現されていないのが現状である。我々は、電気機械共振器における非縮退パラメトリック増幅を用い、このような演算を実現できる素子を新たに提案した [2、3]。
非縮退パラメトリック増幅は量子光学の分野で広く用いられ、光の周波数（波長）変換を可能とする技術である。高い周波数 (fp)のポンプ光と、低い周波数 (fs)のシグナル光より、Kerr
効果などの非線形過程を用いて異なる周波数のアイドラー光 (fi)を生成する。ここでエネルギー保存則より、アイドラー光の周波数は hfi = hfp - hfs で与えられる（h はプランク定数）。
我々は、この概念を微小な機械共振器（図 1）に対して適用し、機械的な論理演算を実現した。まず、入力情報に対応する複数の2 値情報を、異なる周波数のナノメートルスケールのポンプ振動として共振器に印加する。次に、これとは独立にシグナル振動を印加すると、機械共振器の有する非線形性により様々な周波数のアイドラーが生成される。これらはそれぞれ異なる論理演算の出力に対応するが、重要な点は、
これらが単純に2 入力1出力の基本論理ゲー
トだけでなく、それらの複合演算も表現できることである。さらには、それらの複数の演算は、たった一個の素子で並列に処理を行うことが可能である（図 2）。これらの結果はナノ機械コンピュータによる論理演算が高い並列処理性を有することを示しており、従来の技術とは全く異なる特徴を持った新しい演算システムとして期待される。
[1] http://www.sciencemuseum.org.uk/onlinestuff/stories/babbage.aspx[2] I. Mahboob et al., Nature Commun. 2 (2011) 198.
[3] I. Mahboob et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 253105.

図1

実験に用いた電気機械パラメトリック増幅器の電子顕微鏡写真。交流電圧を電極に印加すると、圧電効果により面直方向の振動が引き起こされる。シグナル振動（周波数：fs）とポンプ振動（周波数：fp）を加えることにより、その差周波の振動がアイドラー振動（周波数：fi）として生成される。

図2

3つのポンプ振動（A、Bおよび C）を
異なる周波数として加えたときの出力スペクトル。C∪(A∩B)および B∪(A∩C)の2つの出力が同時に得られており、並列
複合論理演算が実現されている。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )27

GaAs カンチレバーにおけるキャリアを介した光－機械結合
岡本創

小野満恒二 眞田治樹＊ 後藤秀樹＊ 寒川哲臣＊
量子電子物性研究部 ＊量子光物性研究部

山口浩司

近年、マイクロメカニカル素子における光－機械結合が注目されている[1、2]。光キャビティー
により生み出される放射圧や光熱応力によりメカニカル素子は反作用を受け、振動の増幅や自励発振、また減衰や振動モードの冷却が実現する[1、2]。これに対して、最近我々は光キャビ
ティーを必要としない新しい光－機械結合を見出した[3、4]。これは光励起により生み出されるキャリアを介した光－機械結合であり、バンドギャップ波長近傍のcwレーザ照射によりGaAsカン
チレバーの振動振幅が変化する。以下ではn-GaAs/i-GaAs 2 層構造カンチレバー［図 1(a)］において観測されたキャリアを介した光－機械結合について述べる。
この新しい光－機械結合は励起キャリアにより生み出される圧電効果に起因している。光励
起された電子と正孔は2 層構造による内部電界により空間的に分離し、カンチレバーを構成するGaAsに圧電応力が生ずる。この光圧電応力がカンチレバーに反作用を与え、カンチレバーの熱振動は影響を受ける。[110] 方位を向いたカンチレバーではこの反作用が正のフィードバッ
クを与え、熱振動は増幅する［図 1(b)］。またレーザ強度が閾値を超える(Pex > 10 μW)とダンピ
ングが消え、カンチレバーは自励振動する［図 1(b)］。一方、[-110] 方位を向いたカンチレバー
では圧電効果が逆向きとなるため負のフィードバックが生み出され、振動の減衰が起こる［図 1(c)］。この光圧電効果によるフィードバックは歪による光吸収変化に大きく依存しており、歪に敏感な吸収端近傍のレーザ波長 (λ ex = 840 nm @ 50 K)において反作用は増強される[4]。
このキャリアを介した光－機械結合は、従来の光－機械結合に比べ半導体光デバイスとの融合性において大きな利点がある。また、キャリアの動的過程や歪効果、キャリアに関連したエネル
ギー散逸などの半導体特性を研究するツールとしても期待される。
[1] I. Favero and K. Karrai, Nature Photon. 3 (2009) 201.
[2] C. H. Metzger and K. Karrai, Nature 432 (2004) 1002.
[3] H. Okamoto et al., Appl. Phys. Express 2 (2009) 035001.
[4] H. Okamoto et al., Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 036801.
(a)

図1

28

(b)

(c)

(a)カンチレバーのSEM 像。カンチレバーは100 nm 厚のn-GaAsと200 nm 厚のi-GaAsからなる2 層構造を有する。Ti:Sa cwレーザは歪の大きなカンチレバーの足部に照射。カンチレバーの熱振動はHe:Ne cwレーザを用いてレーザ干渉計により検出。測定は真空中、50 K。 (b) [110] 方位カンチレバーと(c) [-110] 方位カ
ンチレバーにおける変位ノイズパワースペクトルのレーザ強度依存性 (λ ex = 840 nm)。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

量子ホール領域におけるエッジマグネトプラズモンの電圧制御
鎌田大 1,2 太田剛 1 村木康二1 藤澤利正 2
1
量子電子物性研究部 2 東京工業大学
2 次元電子系に垂直に強い磁場を加えると、ローレンツ力によって電子は試料端に沿って伝播するようになる。量子ホール領域においては、試料内部ではフェルミレベルは磁場によって離散化したエネルギー準位のギャップ中にあるため、試料の両端にあるチャネル間の後方散乱は抑制され、そのためエッジチャネルは散逸を伴わない理想的なコヒーレント1 次元チャネルとなる。
これまでにエッジチャネルによって定義された様々な干渉計を用いた量子光学実験の電子版が実証されており、それによって電子のコヒーレント伝導特性や量子統計性を調べることが可能となった。これらの実験は、さらにエッジチャネルを量子チャネルとして、量子状態をデバイスサイ
ズと同等の巨視的な距離に渡って伝送する可能性を示唆している。そのためには、電子の群
速度は制御するべき重要なパラメータの1つである。
我々は飛行時間測定によって量子ホール領域におけるエッジマグネトプラズモン(EMP)の群
速度を調べた[1]。ソース電極に電圧パルスを加えることで t=0において生成したEMPは、量子ポイント接合 (QPC)に向かって試料端に沿って伝搬する。QPCに別のパルスを加え一時的にQPCを開くことで、ある遅延時間 td で到着したEMPをドレイン電流 IDSとして選択的に検出することができる（図 1）。我々は、金属ゲートによって定義されたエッジに沿って伝搬するEMPの群速度が、ゲートに印加した電圧 VG に強く依存することを見出した（図 2）。金属ゲートは面内の電界を遮蔽し、それによって群速度が遅くなるため、観測された群速度の VG による変化は、
金属ゲートによる遮蔽効果の変化を反映しているものと理解することができる。ここで遮蔽の強さが変化するのは、VG によってゲートとエッジチャネルの距離が変化するためである。
[1] H. Kamata, T. Ota, K. Muraki and T. Fujisawa,Phys. Rev. B 81 (2010) 085329.

図1(a) 試料構造と測定配置の概略図。ソース電極に短い電圧パルスVPS(t) を加えEMPを生成する。
別の電圧パルスVPG(t) をQPCに加えることで局所ポテンシャルを検出する。2つの電圧パルスの時間間
隔は機械的な遅延ラインによって調節する。ソース
電極とQPCの間の4つの遅延ゲートは経路長を追加するために用いる。

図2(a) 様々なVG に対するIDS のtd 依存性。
(b) 群速度ν g のVG 依存性。 (c) 試料構造
断面の概略図。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )29

半導体二重量子ドットにおけるトンネルダイナミクスの広帯域
キャパシタンス測定太田剛 林稔晶 村木康二 藤澤利正＊
量子電子物性研究部 ＊東京工業大学
量子ドットの電子状態を調べる手法の1つとしてキャパシタンス測定が挙げられる。我々は、二重量子ドットと量子ポイントコンタクト(QPC)に独立に高周波電圧を印加することにより高速キャ
パシタンス測定を行った[1]。図 1(a)に実験の模式図を示す。二重量子ドットに高周波電圧
VDQD(t)を印加すると、ドットのポテンシャルが変調され、ドット間の電荷移動に起因する電荷
QDQD(t) が生じる。QPCのコンダクタンスが QDQD(t)に比例するトンネル領域においてQPCにも同じ周波数、位相の高周波電圧 VQPC(t)を印加すると、QPCを流れる平均電流 <IQPC>をロックイン検出することができる。<IQPC>は電流ピークもしくはディップとして観測され、2つの高周波電圧の位相差が 0ºのときはキャパシタンスに比例し、90°のときはコンダクタンスに比例する。ドットのゲート電圧を変化させながら<IQPC>を測定するとバックグランド成分を伴った電流ピーク（もしくはディップ）が現れる。バックグランドは素子構造で決まるキャパシタンス成分によるが、ピーク（ディップ）は電子のトンネリングによって生じた QDQD(t)に起因する。図 1(b)はゲート電圧を変化させたときのキャパシタンス信号をプロットしたものである。ここでの動作周波数は1 kHzである。
弱結合ドッ
トに特徴的なハニカム型の電荷安定状態が見える。
ドッ
トがトンネル結合した領域では、ドット間の量子力学的結合を反映した量子キャパシタンスを測定することができる。図 1(c)はドッ
ト間トンネル結合の大きさを変えたときのキャパシタンス信号の変化を示したものである。トンネル
結合が小さくなるにつれて、ブロードなディップから鋭いディップへと変化する。量子キャパシタン
スCQ は、ゲート電圧 VG に対してエネルギー E の二回微分 (CQ≡ d 2 E / dVG2)として表されることから、観測されたディップ形状はエネルギーバンドの形状を反映していることが分かる。この量子キャパシタンスを測定することで1 電子状態の結合・反結合軌道、2 電子状態のスピン一重項・三重項状態を識別できることが期待される。
本研究の一部は総務省 SCOPEの援助を受けて行われた。
[1] T. Ota et al., Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 032104.

図 1 デバイスの模式図 (a)、ドットのゲート電圧 VURとVULを変化させたときの<IQPC>のプロット(b)、VUCを用いてドッ
ト間トンネル結合を変化させたときのCQ の変化 (c)。εは準位間のバイアスオフセッ
ト。

30

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

トンネルエネルギー可変型磁束量子ビットのコヒーレント制御
Xiaobo Zhu

Alexander Kemp 齊藤志郎
量子電子物性研究部

仙場浩一

超伝導磁束量子ビットは、量子プロセッサの構成要素として有望視されている。回路を巡る
超伝導電流間のトンネル過程を試料に備わった2つの制御ラインから随時調節可能なこの改良型の量子ビッ
トではトンネルエネルギーの可変制御に加えてσx 結合も可能となった。この改良に伴い、磁束量子ビットの様々な応用の可能性が拓かれた。例えば、複数量子ビットに拡張可能なON/OFF 比の大きなスケーラブルな量子バス実現の可能性 [1]や、σx 結合を用いた量子非破壊測定可能な固体デバイスへの発展などである[2]。
最近、私達は磁束量子ビットを構成する最小のジョセフソン接合をDC-SQUIDで置き換える
ことにより、
超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーのその場制御の実証に成功した。
量子ビッ
ト近傍に備え付けた制御ラインへ電流パルスを印加することで、nsの時間スケールで量子ビットのトンネルエネルギーを数 GHz 程度変えることが可能である（図 1）。
量子ビットの基底状態と第一励起状態間でのラビ振動は、最も基本的な量子ビッ
トのコヒーレント状態制御である。図 2(a)に、量子ビットの最適磁束動作点で観測されたラビ振動を示す。
測定は、2つの制御ラインを流れる電流をそれぞれ一定に保つことで、トンネルエネルギーを所
望の値に保ち、量子ビッ
トのエネルギーに共鳴したマイクロ波パルスの照射時間を変えて行った。
これらパルス列の直後の読み出しパルスによって、量子ビットの状態測定を行う。即ち、状態読
み出しまでの一連のパルス列を各条件下で2000 回繰り返すことにより、基底状態と第一励起状態の比占有確率を測定できる。照射する共鳴マイクロ波の強度を変えながら測定を行い、
図 2(b)に示すようにラビ周波数がマイクロ波強度に線型に依存することを確認した。この振動がラビ過程に起因することを裏付けるものである[3]。
[1] Y. D. Wang, A. Kemp, K. Semba, Phys. Rev. B 79 (2009) 024502.
[2] Y. D. Wang, X. Zhu, and C. Bruder, Phys. Rev. B 83 (2011) 134504.
[3] X. Zhu, A. Kemp, S. Saito, and K. Semba, Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 102503.

図 1 超伝導磁束量子ビットのエネルギースペクトル
トンネルエネルギー共鳴周波を (a) 3GHz、(b)5GHz、(c) 7GHzと変化させた場合。

図2(a) 最適磁束バイアスにおいて共鳴マイクロ波強度を変えて測定したラビ振動。 (b) 観測されたラビ振動数のマイクロ波強度に対する線型依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )31

超伝導量子ビットと結合した LC 共振器における非古典的光子状態の生成
角柳孝輔

齊藤志郎 中ノ勇人 仙場浩一
量子電子物性研究部

量子演算に利用可能な量子状態を保持する量子メモリの実現のためには量子ビットから量子メモリへの量子情報の移送手段の確立と光子数状態（特に1 光子状態）の生成が必要である。
しかしながらLC 共振器を共鳴条件にあるマイクロ波で励起する方法では、古典的なコヒーレント状態が生じ、光子数状態の生成は困難であった。そこで超伝導量子ビットからLC 共振
器に光子を移すことによって非古典的光子状態生成を試みた。
用いた試料では超伝導磁束量子ビットを囲むように配置したラインインダクタとキャパシタからな
るLC 共振器が磁気的に量子ビットと結合している（図 1）。量子ビットと共振器との結合エネル
ギーは360 MHzである。このように結合エネルギーを大きくすることが可能なことは超伝導量子ビットの利点の1つである。この量子ビット–LC 共振器の系で、量子ビットを励起したのち非断
熱的に磁場を動かす。LC 共振器と量子ビット間での共鳴条件を使うことによって量子ビッ
トの光子は量子ビットと共振器の間で真空ラビ振動と呼ばれる量子振動を生ずる。この振動を時間領域で制御し光子が共振器中に移った時に断熱的に磁場を戻すことで量子ビットから共振器への光子の移送が実現できる。この過程を繰り返すことによって量子ビットから光子を1 個ずつ共振器に移すことが可能である。こうして生成した光子状態は理想的には光子数状態となる。この量子振動の周期は光子数に依存するので時間領域での振動の解析により共振器の光子数分布を調べることができる。
図 2はこの方法によって1 個と2 個の光子を共振器に入れた場合に得られた光子数の分布である。エネルギー緩和や制御パルスの不完全性などのために理想的な光子数状態とは異なるものの古典的な励起方法で生じ得るポアソン分布とは明確に異なる非古典的な光子状態生成に成功した[1]。この成果は、超伝導 LC 共振回路の量子性を積極的に利用したものであり、
高 Q 共振器を用いた量子メモリの可能性への発展が期待される。
[1] K. Kakuyanagi et al., Appl. Phys. Express 3 (2010) 103101.

図1

32

LC 共振器と磁束量子ビッ
トの試料デザイン。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

1 光子と2 光子を移送した時に得られた光子数分布とそれぞれの平均光子数に対応するポアソン分布。

超伝導量子ビットを用いた量子ゼノン効果
松崎雄一郎

齊藤志郎 角柳孝輔
量子電子物性研究部

仙場浩一

量子力学が予言する興味深い現象の1つに、量子ゼノン効果と呼ばれる、頻繁な測定により不安定系の減衰を抑制する現象が挙げられる[1]。ノイズの相関時間より短い時間領域では不安定系は二次関数的に減衰することが知られており、この時間領域で測定を繰り返すことで量子ゼノン効果は起こるとされている[1]。しかしながらほとんどのノイズの相関時間は、現在の技術で構成できる測定器の時間分解能よりも短く、そのため二次関数的な減衰の観測は一般的には困難である。この事実が量子ゼノン効果の実証を困難にし、実際に不安定系に対する量子ゼノン効果が実験的に観測された例はまだ1つしか存在しない[2]。
我々は、不安定系に対する量子ゼノン効果を、超伝導量子ビットを用いて実証する方法を理論的に提案した[3]（図 1）。量子ビットは通常、「エネルギー緩和」と「位相緩和」の2つの減衰過程を持つ。超伝導量子ビットにおいては、エネルギー緩和過程は指数関数的な減衰を示すものの、
位相緩和は主に相関時間が無限大である1/fノイズ（fは周波数をあらわす）によって引き起こされるため、二次関数的な減衰を観測することが比較的容易であると考えられる。
我々はマスター方程式を解き、エネルギー緩和時間が位相緩和時間よりも十分に長ければ、測定の回数を増やすことで状態を目的のヒルベルト空間に射影する確率（成功確率）を上げられることを示した（図 2）。また、ポストセレクションをせずに測定を行った場合でも、測定の頻度を上げることで位相緩和を抑えることが可能になることを示した。
これらの結果は、
超伝導量子ビットを用いることで、現在の技術でも量子ゼノン効果は実証可能であることを示している。
[1] B. Misra et al., J. Math. Phys. 18 (1997) 756.
[2] M. C. Fischer et al., Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 040402.
[3] Y. Matsuzaki et al., Phys. Rev. B. 82 (2010) 180518.

図 1 超伝導量子ビットを用いて量子ゼノン効果を観測するためのスキーム。

図2

上から順に、t=20、25、30、35 (ns)の時間間隔で、N 回射影測定を行ったときの成功確率 (P)のプロット。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )33

逆近接効果を考慮したアンドレーフ反射分光による
p -In0.96Mn0.04As のスピン偏極度評価
赤﨑達志 1 横山毅人 2 田仲由喜夫 3 宗片比呂夫 2 髙柳英明 4,51量子電子物性研究部 2 東京工業大学 3 名古屋大学 4 東京理科大学 5NIMS-MANA
超伝導体／強磁性体 (S-F) 接合は、超伝導と強磁性体中のスピン偏極との競合により新しい量子現象が期待されるため、基礎物性、応用の両面から大いに興味を持たれている。例
えば、スピン偏極を考慮したAndreev 反射分光を利用して、強磁性体中のスピン偏極度を実験的に見積もる実験が行われている[1]。しかしながら、S-F 接合を正確に評価するためには、
強磁性体中の交換場が超伝導体中に染み出すことで超伝導体中のペアポテンシャルが弱められる効果、所謂「逆近接効果」の存在も考慮しなければならない。我々は、従来考慮されていなかった逆近接効果が S-F 界面でのスピン依存輸送特性やスピン偏極度評価にどのような影響を及ぼすかを検討している。
今回、強磁性半導体であるp-In0.96Mn0.04Asを用いたS-F 接合（図 1）を作製し、その輸送特性を評価した。用いた p-In0.96Mn0.04Asは、~ 10 K 以下で顕著な異常 Hall 効果が観測され、強磁性に転移した。図 2に各温度でのNb/p-In0.96Mn0.04As 接合の微分コンダクタンスのバイア
ス電圧依存性 (dI/dV-V)を示す。Nb 電極の TC (~ 8.2 K) 以下で、Nbの超伝導ギャップ電圧
以下に相当する領域に微分コンダクタンスの減少が観測された。これは、p-In0.96Mn0.04As中のスピン偏極キャリアによってAndreev 反射が抑制されたことに起因している。我々は、Andreev
反射に関するBlonder-Tinkham-Klapwijk 理論 [2]にスピン偏極と逆近接効果の影響を取り入れたモデルを提案し、実験結果と比較することにより、p-In0.96Mn0.04Asのスピン偏極度 P の評価を行った。実験と計算結果の比較から、0.5 Kでの p-In0.96Mn0.04Asの P 値は、0.725と見積もられ（図 3）、温度とともに徐々に減少していくことが分かった。
本研究の一部は、科研費 22103002の助成を受けたものである。
[1] R. J. Soulen Jr. et al., Science 282 (1998) 85.
[2] G. E. Blonder et al., Phys. Rev. B 25 (1982) 4515.

図1

図2

34

各温度での規格化した微分コンダクタンスのバイアス電圧依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図3

Nb/p-In0.96Mn0.04As 接合（模式図）。

0.5 Kでの規格化した微分コンダクタンスのバイア
ス電圧依存性（モデルと実験結果の比較）。実線：
実験データ、白丸：計算結果。計算には、Z = 0.25,
P = 0.725を用いている。

低密度 2 次元電子系の発光分光山口真澄 野村晋太郎＊ 田村浩之 赤﨑達志
量子電子物性研究部 ＊筑波大学
低温での2 次元電子系の発光スペクトルには試料のポテンシャル揺らぎが反映される。
GaAs 量子井戸の電子密度を制御して発光分光を行うことにより、2 次元電子の金属絶縁体
転移近傍のランダムポテンシャルの遮蔽に伴う変化を見出した[1]。本研究では、試料の表面と裏面にゲートを設けたGaAs 量子井戸を用いて電子密度と電界を独立に制御し、電子密度の増加に伴う電子の空間的広がりを反映する不均一発光線幅の減少効果を観測した。
量子閉じ込めシュタルク効果により、同じ電子密度の発光スペクトルであっても電界の大きさに依存して発光エネルギーは大きく異なる（図 1）。一方で、このエネルギーシフト量は井戸幅に依存し、量子井戸幅の一原子層の揺らぎのために発光スペクトルの不均一線幅は電界によっ–2て増大する。約 4×1010 cm の電子密度を境にして、それより低い電子密度では、位置による井戸幅の違いを反映した不均一線幅は電界とともに増大する。これは、量子井戸中の電子はリモート電荷が作るランダムポテンシャルの影響により空間的に不均一に存在しており、量子井
戸からの発光スペクトルはそれぞれの位置での発光スペクトルの積分となるためである。一方、電子密度がより大きく井戸幅揺らぎの空間スケールを超えて電子が広がった場合には、電子の感じるポテンシャルは空間的に平均化されるため電界に依存した不均一線幅は消失する。
図 2に示した発光線幅の電界に対する傾きは、電子密度の増加に伴って減少し6×1010–2
cm 以上では無くなっている。これは、2 次元電子系がポテンシャル揺らぎと量子井戸幅揺らぎの長さスケールを超えて空間的に広がったことに対応している。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] M. Yamaguchi et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 207401.
[2] M. Yamaguchi et al., Physics Procedia 3 (2010) 1183.

図1–

電界の異なる電子密度 2×1010 cm 2 における、発光スペクトル。

図2

電界に対する発光線幅の変化率の電子密度依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )35

二硼化マグネシウムナノ細線による通信波長帯単一光子の検出
柴田浩行 武居弘樹 本庄利守 赤﨑達志＊ 都倉康弘
量子光物性研究部 ＊量子電子物性研究部
二硼化マグネシウム(MgB2)は、金属・金属間化合物の中で最も高い Tc=39 Kを有し、2 元素系で単純な結晶構造を持つことから次世代の超伝導材料として期待されている。これまでに我々は、MgとBの蒸着レートを各々精密に制御可能な分子線エピタキシャル成長 (MBE) 装置を用いるとMgB2 の超薄膜が成長できること、アモルファスカーボンをレジストとして用いると高温成長を必要とするにも係わらずリフトオフ法が適応可能であることを報告してきた[1]。今回我々は、幅 100 nm、高さ10 nmのMgB2 ナノ細線を作製し、この細線は可視～通信波長帯の広い波長域において単一光子を検出可能であることを明らかにした[2]。
図 1に作製したMgB2 ナノ細線のAFM 像を示す。均一なナノ細線が得られており、電気伝導特性も良好な超伝導特性を示す。ナノ細線にバイアスを加え極微弱なコヒーレント光を照射した測定の結果を図 2に示す。一般的にコヒーレント光に含まれている光子数はポアッソン分布をしているため、極微弱光下において1パルス当り1 個の光子が含まれている確率は平均光子数、
すなわち光強度に比例する。したがって、1パルス当り1 光子の検出が可能なナノ細線では出力パルス数と光強度は比例することが予想される。図 2(a)より波長 405 nmの光を照射した場
合の結果は理論値 (n=1)によく一致しており、この細線は単一光子数検出可能であることが判る。一方、波長 1560 nmの通信波長帯では、低バイアス下において出力パルス数は光強度の二乗 (n=2)に比例している。これは1560 nmでは光子 1 個の持つエネルギーが低いため1パ
ルス当り1 個の光子が含まれている場合は出力パルスが現れず、2 個以上の光子が含まれている場合にのみ出力パルスが現れることを意味する。バイアスを上げると出力パルス数は光強度に比例 (n=1)し、波長 1560 nmにおいても単一光子検出可能であることが分かる。今後はMgB2 ナノ細線を利用して量子情報通信用の単一光子検出器を作製する。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] H. Shibata et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 19 (2009) 358; H. Shibata et al., Physica C
470 (2010) S1005.
[2] H. Shibata et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 212504.

図1

36

MgB2 ナノ細線のAFM 像。

図2

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )MgB2 ナノ細線の光検出特性 (a) 405 nm、(b) 1560 nm。
Ibias はバイアス電流、Ic は臨界電流を表す。

東京 QKD ネットワーク
玉木潔

本庄利守 武居弘樹
量子光物性研究部

都倉康弘

NICTからの受託研究を引き受けた3 社 NTT、NEC、三菱電機、そして受託研究とは別に欧州からAIT、Id Quantique、東芝欧州研究所が各社の量子鍵配送 (QKD) 装置を東京の光ファイバー網で相互接続し、試験運用を開始した。これを東京 QKDネッ
トワークと呼ぶ。
量子鍵配送は、第 3 者に情報を漏らさずに安全に通信を行うために必要な秘密鍵、というランダムなビット列を配布するための手段である。この配送方式では、量子力学という誰にも変えることができない自然法則を利用することによって盗聴を防ぎ、通信装置さえ理論通りに動けば、原理的に絶対に破ることができない暗号として期待されている。
東京 QKDネットワークはNICTの都心とその近傍に敷設された光通信テストベットネットワーク
JGN2plus 上の6つのノードからなり（図 1）、その内の2つのノード間では動画伝送がリアルタイ
ムで行える鍵生成速度を有する。NTTは長距離伝送である約 90 kmの通信（小金井－大手町間の往復）を担当し、2 kbpsの秘密鍵生成率を達成した。
NTT が今回の東京 QKDネットワークで実装した差動位相シフト量子鍵配送（DPS-QKD）プ
ロトコル[1]は、NTTとスタンフォード大が共同で提案したQKD 方式で、システムの構成が簡略であり、したがって実装が容易、という特徴を持つ方式である。
QKD 装置を高速で動作させるためにField-Programmable Gate Arrayを用いて1GHzクロッ
クでの乱数発生、高速信号発生、および高速メモリアクセスを実現し、NICT が開発した超伝導体を用いた単一光子検出器の偏波依存性を消すために偏波調整フィードバック機構を実装した。この実験装置から得られたシフト鍵は、NECが開発した鍵蒸留基盤によるデータ処理を経て秘密鍵に変換され、ネッ
トワーク上の暗号通信に使われる。
これらの高速化や安定化の対策により、約 8日間にわたるシフト鍵生成を確認し、約 18 kbpsのシフト鍵生成率を達成した。このシフト鍵を鍵蒸留基盤に入力することにより、約 2 kbpsの生成率で秘密鍵が生成できた（図 2）[2]。
本研究はNICTの援助を受けて行われた。
[1] K. Inoue et al., Phys. Rev. A 68 (2003) 022317.
[2] M. Sasaki et al., Opt. Express 19 (2011) 10387.

図1

ネッ
トワークの概略図。

図2

シフト鍵生成レート、秘密鍵生成レート、
量子ビッ
トエラーレートの時間変動。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )37

2 重量子ドットにおける近藤効果と電流雑音
久保敏弘 都倉康弘
量子光物性研究部
半導体量子ドット系における近藤効果は、様々なパラメータを実験的に制御することが可能である。そのため、従来の磁性金属における近藤効果では実現できない状況を作り出し、新しいタイプの近藤効果も発見されてきた[1]。2 重量子ドット系においては、電子がどちらのドットにいるかを擬スピンとして定義することができる。
これまで我々は、
スピン自由度のない2 重量子ドッ
トにおける擬スピン近藤効果について理論的に調べてきた[2]。
本研究ではスピンの自由度も考慮し、図 1に示されるような並列結合 2 重量子ドットにおけるス
ピン・擬スピン近藤効果を非平衡グリーン関数法に基づいたスレーブ・ボゾン平均場理論を用
いて、絶対零度の条件下で調べた。図 2、3に示す2つの数字の組 (N1, N2)はドット1とドット2の平均電子数を表す。図 2には様々な電荷安定条件における線形コンダクタンスの結果を示す。(1,0)、(0,1)の境界上のような擬スピン近藤効果が発現する領域において、特に大きな変化が見られないことが分かる。このことから、通常の電気伝導測定から擬スピン近藤効果の特徴を掴むことが困難であることが理解できる。これに対し、電荷揺らぎを反映する物理量である
電流雑音を様々な電荷安定条件において低バイアス電圧（eVSD/ηΓ = 0.1, Γ は電極・ドット間結合強度）条件下で調べた結果を図 3に示す。擬スピン近藤効果は電荷（配置）の揺らぎと関係するため、擬スピン近藤効果が発現する領域で電流雑音が最大となる[3]。ここまでは、電極を介したドット間のコヒーレント間接結合 [4]がない状況を考えてきたが、今度は電極を介したドット間のコヒーレント間接結合がスピン近藤効果に及ぼす影響について調べた。2つのドットに電子が1つずつ詰まっている状況では、電極とドットの間のトンネル過程の4 次摂動から導かれる運動交換結合が反強磁性的であることを示した。これまでは、コヒーレント間接結合が軌道に与える効果については議論されてきたが、スピンに対するこのような反強磁性的な運動交換相互作用は本研究で初めて明らかにされた[3]。この結果、コヒーレント間接結合が有限の場合には、(1,1) 領域におけるスピン近藤効果が抑制される。
本研究は科学技術振興機構 ICORP、内閣府 FIRST、および科研費の援助を受けて行われた。
[1] S. Sasaki et al., Nature 405 (2000) 764.
[2] T. Kubo et al., Phys. Rev. B 77 (2008) 041305(R).
[3] T. Kubo et al., Phys. Rev. B 83 (2011) 115310.
[4] T. Kubo et al., Phys. Rev. B 74 (2006) 205310.

図 1 並列結合 2 重量子
ドットの模式図。

38

図2

様々な電荷安定条件における線形コンダクタンス。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図3

様々な電荷安定条件における電流雑音 (eVSD/ηΓ = 0.1)。

単一量子ドットを用いた共振器量子電磁力学
俵毅彦 鎌田英彦 Stephen Hughes＊
量子光物性研究部 ＊クイーンズ大学
固体電子二準位系を用いた共振器量子電磁力学 (cQED)は、単一光子レベルでの非線形相互作用の発現や光子－物質間の量子情報の変換など、量子情報処理デバイスへの応用が期待されている。一方で従来用いられてきた真空中にトラップされた原子・イオンとは二準位系を取り囲む環境が異なり、その光学応答の解釈は単純ではない[1]。本研究ではcQEDの代表的な現象である自然放出レートの増強（弱結合状態）や輻射場と二準位系の間の可逆的エネルギー交換（強結合状態）における固体二準位系特有の光学応答を見出し、そのメカニズムを明らかにした。
電子二準位系として自己組織化半導体量子ドット(QD) が、スラブ型フォトニック結晶ナノ共振器中に埋め込まれた。ターゲットとなるQD が電磁界強度の最大値から僅かにずれた場所に位置する場合（図 1：弱結合状態）のPLスペクトルでは、温度変化に伴いQD 励起子 (X)・共振モード(C)ともにピーク位置がシフトする。しかし相互作用がない場合（点線）にくらべ弱結合状態ではそれぞれのピークが引き寄せ合う新たな現象 (mode attraction) が観測された[2]。
またターゲットQD が電磁界強度の最大値にある場合（図 2）、そのPL 強度マップの離調依存性は強結合状態の特徴であるRabi 分裂を伴う非交差分散を示す。このとき励起強度を増加させると、分裂ピークの中央から新たなピークが出現しRabi 分裂を消失させるが、非交差分散は維持されている。これら従来のcQEDでは説明できない弱・強結合両状態における現象に対し理論解析を行った結果、QD 励起子の大きな位相緩和とスラブ型共振器構造からの光放射特性に由来する固体系 cQEDの特有の現象 [3]であることが分かった。
本研究の一部は総務省 SCOPEの援助を受けて行われた。
[1] 例えば K. Hennessy et al., Nature 445 (2007) 896.
[2] T. Tawara et al., Opt. Express 18 (2010) 2719.
[3] S. Hughes et al., Opt. Express 17 (2009) 3322.

図1

弱結合領域でのPLスペクトルの温度依存性。

図2

強結合領域でのPLカラーマップとゼロ離調スペクトルの励起強度依存性。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )39

VLS 法による GaAs 基板上横方向ナノワイヤ
Guoqiang Zhang

舘野功太 後藤秀樹
量子光物性研究部

寒川哲臣

半導体ナノワイヤは電子デバイスやフォトニックデバイスからバイオ、医療まで様々な応用が期待されている[1]。従来のナノワイヤの集積化の方法は主に2つの方法が挙げられ、1つはパターン基板上に選択的に自立して成長したナノワイヤをそのまま用いる方法と、もう1つは基板に成長したナノワイヤを別の基板に分散させて配列させる方法である。後者はプロセス工程でナノワイヤに汚染物が付着しやすい欠点があるため、前者の方法が望ましい。しかし、自立したナノワイヤにデバイス動作させるための電極等を形成することは技術的に非常に困難である。
一方、あらかじめ基板上に横に成長されているナノワイヤならば、ナノワイヤを大気にさらすことなく、比較的容易に電極形成までの一貫したプロセスを行える可能性がある。私たちは気相エピタキシー (VPE)を用いたVapor-Liquid-Solid (VLS) 法でGaAs 基板上に横方向にナノワイヤ
成長する方法を開発し、サイズや位置、組成に関して制御可能であることを示してきた[2、3]。
はじめにVLS 法成長の触媒として金微粒子を用い、(311)B 基板上の<110> 方向成長
GaAsナノワイヤについて調べた。図 1はその断面透過電子顕微鏡 (TEM) 写真である。ナノワ
イヤ先端に金微粒子があり、これを触媒に成長が進んでいる様子が見られた。このことから金微粒子サイズと密度によってナノワイヤのサイズと密度とを制御できることが分かる。また、電子ビーム(EB)リソグラフィにより金微粒子を配置することにより、ナノワイヤを位置制御することができる。図 2はその原子間力顕微鏡 (AFM) 像である。ナノワイヤは図の矢印で示されたはじめの
金微粒子の位置から成長が始まっていることが分かる。バンドギャップ制御およびデバイス実現のためにはヘテロ構造が不可欠である。成長中にInを導入することでInGaAsナノワイヤも横方向成長が可能なことを確認した[3]。このような平面上に形成されるナノワイヤは、将来的に電子、光デバイスへの新たな発展をもたらすことが期待できる。
[1] L. Samuelson, Mater. Today 6 (2003) 22.
[2] G. Zhang, K. Tateno, H. Gotoh, and H. Nakano, Nanotechnology 21 (2010) 095607.
[3] G. Zhang, K. Tateno, H. Gotoh, and T. Sogawa, Appl. Phys. Express 3 (2010) 105002.

図140(311)B 基板上に横方向成長したGaAsナノワイヤの断面 TEM
写真（ナノワイヤの先端位置にAu 触媒微粒子である）と、基板表面のSEM 写真（左下、矢印は金触媒微粒子）。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図2

金微粒子を配列させて横方向成長したGaAsナノワイ
ヤのAFM 像。成長後金微
粒子はナノワイヤの先端の位置まで移動した。

金属型カーボンナノチューブのコヒーレントフォノン
加藤景子 小栗克弥 寒川哲臣
量子光物性研究部
単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は、そのキラリティに応じて半導体または金属になる。
特に金属型 SWCNTは擬一次元構造に由来して、バリスティック輸送特性を示すことが知られているが、その実現にあたってはキャリア・フォノン散乱がボトルネックとなる。金属型 SWCNTが有する高い電気伝導特性を活かすためには、フォノンの特性を理解することが重要である。
フォノンの振動周期より短い時間幅を有する超短パルスレーザを用い、位相を揃えて振動するコ
ヒーレントフォノンを励起すれば、格子振動の実時間観測が可能となる。一般的に、SWCNT
は半導体と金属の混合物であるため、光照射によって様々なキラリティのSWCNT が同時に励起され、特定のキラリティのSWCNTに関する詳細な情報を得ることや、精密な制御が困難になる。そこで本研究では、遠心分離法によって選別した金属型 SWCNT [1]を用い、コヒーレン
トフォノンの詳細について調べた[2]。
パルス幅 10 fs、中心波長 780 nmのTi:sapphireレーザを光源とし、ポンプ・プローブ法による過渡反射率測定（図 1）を行った。金属型 SWCNTの過渡反射率は、時間 0の付近に自由電子の励起に由来する鋭い応答を示し、キャリア・キャリア散乱によって30 fs 程度で減衰することが分かった。その後、コヒーレントフォノンに由来する周期的な振動（図 1 挿入図）が観測された。
フーリエ解析によって（図 2）、(i)SWCNTの直径が伸縮振動するラジアルブリージングモー
ド(RBM)、(ii) 欠陥に由来するDモード、(iii) 炭素伸縮振動に由来するGモードのコヒーレント
フォノンが生成されていることが分かった。Gモードは縦光学・横光学フォノンに対応して分裂した構造を有しており、縦光学フォノンモードはキャリアとの相互作用によって非対称なスペクトルを示すことが分かった。分離したSWCNTを用いることで、金属型 SWCNT 特有の自由電子の
超高速光応答、ならびにコヒーレントフォノンとキャリアとの相互作用を観測することができた。
本研究の一部は科研費の援助を受けて行われた。
[1] K. Yanagi et al., Appl. Phys. Express 1 (2008) 034003.
[2] K. Kato et al., Appl. Phys. Lett. 97 (2010) 121910.

図1

金属型カーボンナノチューブの過渡反射率
変化、およびその拡大図（挿入図）。

図2

金属型 SWCNTの過渡反射率のフーリエスペクトルとその拡大図（挿入図）。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )41

高性能 1 次元フォトニック結晶シリコン／ SOI ナノ共振器
倉持栄一

田邉孝純

Laurent-Daniel Haret
量子光物性研究部

谷山秀昭

納富雅也

SOI (Silicon on Insulator) 基板上にパタニングしたサブミクロンシリコン細線光導波路中に適切な直線孔列を設けるとナノ共振器となることが良く知られている。1 次元 (1D)フォトニック結晶(PhC)ナノ共振器の一種であるそれは最も単純な構造と最小のフットプリントを有するものとして注目されてきた。既に大きく発展し広く普及している2 次元 (2D)ナノ共振器と比べ、その1Dナノ共振器には Q 値が大きく見劣りするという課題があった。本研究において我々は2Dナノ共振器で採用し大きな成功を収めたモードギャップ閉込手法を適用することで、1Dナノ共振器においても超高 Q 値を実現する解を見出した[1]。
長方形断面孔 (R) 及び円孔 (C)からなる1Dナノ共振器を検討した。共振器下の埋込酸化膜 (BOX)を除去するエアブリッジ構造 (AB)と残したままのSOI 構造の2 通りを検討した。モード
ギャップを導入するため孔サイズを連続的に変調した。3 次元有限領域時間差分法 (FDTD)による電磁界解析を行い、RとCで108を超える超高 Q 値を達成し、またCではモード体積 V が1(λ /n)3より小さくなる設計を見い出した（図 1）[1、2]。特筆すべきはSOI 構造でもおよそ108ものQ 値が得られたことで、1Dナノ共振器固有の特性といえる。数値解析結果は、実験により
C-SOIにて36 万、C-ABにて72 万の Q 値を得たことで実証できた（図 2）[2]（AB：エアブリッ
ジ構造；共振器直下のBOXを除去）。
空気が熱の絶縁体の作用をするためAB 型 1Dナノ共振器は大きな熱抵抗を有し、それを数値シミュレーションで確認している。そのような共振器においては熱光学非線形が著しく増強される。我々は光励起パワーを変える測定においてこれまで報告された中で最小の熱光学双安定しきいパワーとなる1.6 μWをR-AB 型ナノ共振器（光学 Q 値 22 万）にて実験的に観測した（図 3）[3]。基本構造が大きく異なることから、高 Q 値 1Dナノ共振器には従来のナノ共振器と異なる固有の特性や応用が期待できる。
本研究の一部は科学技術振興機構 CRESTの援助を受けた。
[1] M. Notomi et al., Opt. Express 16 11095 (2008).
[2] E. Kuramochi et al., Opt. Express 18 15859 (2010).
[3] L. D. Haret et al., Opt. Express 17 21108 (2009).

図142

数値解析で得られた
Q 値とV。

図 2 ナノ共振器高 Qモードのスペクトル（実験）。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )図3

熱光学双安定を示す
共振器スペクトル。

GPGPU を利用した FDTD 計算の高速化
谷山秀昭 下川辺隆史＊ 青木尊之＊ 納富雅也
量子光物性研究部 ＊東京工業大学
マックスウェル方程式の数値的な解法であるFinite-Difference Time-Domain (FDTD) 法は、
光学微細構造における光の解析から素子構造の設計において重要なツールとしての位置を占めている。しかし、この手法による計算プログラムは、大容量のメモリと長時間の計算を必要とするため適用範囲は制限されてきた。今回我々は、スーパーコンピュータに搭載されるなど近年急速に注目を集めているGeneral-Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU)をアクセラレータとして用いることにより、FDTD 計算の高速化を行うことを検討した。
FDTD 法では、電磁場の時間積分計算において大量のメモリアクセスが発生する。通常のCPUによる計算の場合、そのメモリアクセスの遅さが高速化の妨げとなっている。それに対し、
GPUはCPUと比較してメモリに高速にアクセスできる。しかしGPUを利用する場合でも、一部の計算をCPUで行うとなるとGPUからCPUに大量のデータを転送しなければならなくなり、計算時間よりも転送時間の方が長くなってしまうことがある。このデータ転送の回数を減らし、可能な限りGPU 内で計算を行うようにコーディングすることで、GPU 本来の高いメモリバンド幅と複数プ
ロセッサによる高い演算性能を引き出した。
図 1(a)に示した3 点欠陥フォトニック結晶スラブ共振器に対して、3 次元 FDTD 法を用いてその共振モードを計算した［図 1(b)］。その際、CPUのみを使用した場合とGPUを利用した場合
で計算時間を比較した結果を図 2に示す。使用したCPUはIntel Xeon/W3580 3.33 GHz、
GPUはNVIDIA Tesla C1060とGeForce GTX 480である。なおプログラミング環境としてCUDAを用い、計算は全て倍精度で行なった[1]。図に示されたように、CPUだけの計算と比較して、GPUを利用することで最大で18 倍程度の高速化が達成できた。またTeslaに対して、GTX
480が 2.5 倍程度早いのは、メモリバンド幅とL1キャッシュの違いによると推測される。
[1] H. Taniyama et al., PIERS 2011, 1A9-K-14, March (2011).

(a)

(b)

図1

(a)フォトニック結晶スラブ共振器とその(b) 共振モード。

図2

CPUおよび GPUの計算時間と必要とするメモリサイズ。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )43

Ⅱ．資料サイエンスプラザ 20102010 年 11 月 25日（木）に NTT 厚木研究開発センタにおいて、“未来への扉を開くフロ
ンティアサイエンス”と題した NTT 物性科学基礎研究所の公開イベント「サイエンスプラザ 2010」を開催しました。本イベントは、研究所の最新の研究成果について内外の方々に広く紹介するとともに、皆様との有意義な議論の場とすることを目的としています。
講堂において行われた講演会の午前の部では、横浜所長による開会の挨拶、NTT 物
性科学基礎研究所各研究部長およびマイクロシステムインテグレーション研究所・フォトニクス研究所・コミュニケーション科学研究所各研究企画部長による研究方針と展示ポスターの概要の説明に続き、機能物質科学研究部の谷保芳孝特別研究員によるシンポジウム講演会「窒化物半導体による遠紫外発光ダイオード～新規半導体の物性制
御とデバイス応用に向けて～」を行いました。午後の部では、東京工業大学理事・副学長 伊澤達夫先生に「光ファイバ通信とガラスの科学」と題した特別講演を行って頂きました。講演後には熱心な質問が多数寄せられていました。
ポスター展示では、マイクロシステムインテグレーション研究所の 6 件、フォトニク
ス研究所の 8 件、コミュニケーション科学研究所の 2 件を含め、計 45 件の最新の研究成果について紹介しました。研究の概要から、そのオリジナリティやインパクト、今後の展望を詳しく説明するとともに、研究内容についてかなり突っ込んだ議論も行われ、多くの貴重なご意見を頂きました。毎年大変好評の「ラボツアー」については、学生・一般の方を含めできるだけ多くの方に参加して頂けるよう7 つのコースを用意致しました。また、就職に興味のある学生の方を対象とした相談コーナーを開設しました。
全ての講演・展示・公開・説明会を終えた後、夕刻からは社内食堂にて「懇親会」を行いました。ご来場頂いた方々と親交を深めるとともに、研究内容についての議論も引き続き行われました。
今回、大学等研究機関・一般企業・NTT グループなど 242 名の方々にご参加頂き、お陰様を持ちまして、盛況のうちに終了する事が出来ました。ご来場頂きました方々には、心より感謝申し上げます。ポスター展示、ラボツアーの際やアンケートでお寄せ頂きました様々なご意見は次回のサイエンスプラザに活かしていきたいと思います。

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )45

「ナノスケールの輸送と技術」国際シンポジウム (ISNTT2011)
2011 年 1 月 11 日から 14 日までの 4 日間、NTT 厚木研究開発センター講堂において「ナノスケールの輸送と技術」国際シンポジウムが開催されました。ナノスケールの半導体や超伝導体における輸送特性は、固体をベースにした量子コンピュータや単電子素子、ナノメカニカル素子、スピントロニクス素子などの様々な革新的デバイ
ス技術に繋がる可能性から、世界的にも多くの研究が進められています。本シンポ
ジウムは、これらの分野の研究をより推進するために NTT 物性科学基礎研究所の山口浩司（量子物性研究部長）と仙場浩一（超伝導量子物理研究グループリーダ）、なら
びに赤﨑達志（スピントロニクス研究グループリーダ）等が中心になって企画されたもので、同分野をリードする NTT 物性科学基礎研究所を中心に国内外の著名な研究者が一堂に会し、最新の研究成果について活発な意見交換を行うことを目的として開催されました。
11 日は、横浜至・NTT 物性科学基礎研究所長の歓迎・開会の挨拶のあと、Prof.
Charles Marcus（Harvard 大）が量子ドットにおける電子スピンと核スピンの制御に関するプレナリー講演を行いました。さらに、ナノメカニクス、単電子素子、超伝導
量子ビットに関して 6 件の招待講演と 4 件の口頭講演があり、夕刻には 33 件のポス
ター発表が行われました。
12 日は、グラフェン、単一原子素子、コヒーレント輸送と量子ホール効果、メゾ
スコピック超伝導に関する 7 件の招待講演と 8 件の口頭講演があり、夕刻には 35 件のポスター発表が行われました。
13 日は、ナノメカニクス、超伝導量子ビット、半導体量子ドットと量子ビットに関する 6 件の招待講演と 6 件の口頭講演があり、最終日の 14 日にはナノ SQUID とス
ピントロニクス、エッジチャネル、ナノ構造の光学的特性に関しての 4 件の招待講演と 9 件の口頭講演が行われました。
参加者は、193 名［NTT 関係者 82 名を含む］を数え、ナノスケールの輸送と技術に関する質の高い講演、発表、議論を十分に楽しみました。

46

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

第 6 回アドバイザリボード（2010 年度）
2011 年 2 月 14 日から 16 日の 3 日間、NTT 物性科学基礎研究所アドバイザリボードを開催しました。このボードは、外部の研究者によって研究成果ならびに研究計画を客観的に評価していただき、今後の研究マネジメントに反映させるために設置されました。最初の会議は 2001 年に開催され、その後は約 2 年ごとに開催され、今回で第 6 回目となります。
3 日間の会議で、研究成果ならびに研究マネジメントに関し、貴重な提案と助言を頂きました。研究レベルは、以前と同様に世界的にハイレベルで、これを今後も維持し、成果をタイムリーに世界に向けて発信することが重要であるとのコメントを頂きました。また、人的リソース・研究予算の安定的な確保や、内外の研究協力の強化など、いくつかの改善点をご指摘頂きました。頂いた提言を、今後の研究所運営に積極的に活用していきます。
今回のボードでも、若手研究者との食事会やポスターセッションを開催し、研究所のメンバとボードメンバとの意見交換の場を設けました。ボードメンバは、NTT 物性科学基礎研究所研究者の研究に対する日ごろの姿勢を直接感じることができ、また研究所メンバは、著名な先生の研究に対する取り組み方を知ることができたとして好評でした。NTT 物性科学基礎研究所および NTT 幹部との意見交換会では、内外の研究状況を鑑みた研究所運営について議論するよい機会となりました。次回の開催は、2 年後を予定しております。

Board members
Prof. Abstreiter
Prof. Altshuler
Prof. Hänsch
Prof. Haroche
Prof. Jonson
Prof. Leggett
Prof. Mooij
Prof. Ryan
Prof. von Klitzing

Affiliation
Walter Shottky Inst.
Columbia Univ.
Max-Planck-Inst.
Ecole Normale
Göteborg Univ.
Univ. Illinois
Delft Univ. Tech.
Univ. Oxford
Max-Planck-Inst.

Research field
低次元半導体物理
凝縮系物理
量子光学
量子光学
物性理論
低温物性理論
超伝導量子物理
ナノバイオ
半導体量子電子物性

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )47

社外表彰受賞者一覧（2010 年度）
平成 22 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰
科学技術賞 研究部門

納富雅也

フォトニック結晶による新しい光伝搬・光閉じ込 2010.4.13
めの研究

平成 22 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰
若手科学者賞

武居弘樹

光通信波長帯における高速・長距離量子暗号通信 2010.4.13の研究

日本学術振興会ナノプロー
ブテクノロジー奨励賞

篠崎

陽一

高 速 AFM を 用 い た 受 容体タンパク質の構造変化観察2010.8.4

2010.8.6

2010.8.8

The 19th Internaltional
Conference on the Applicationof High Magnetic Fields in
Semiconductor Physics andNanotechnology(HMF-19): Best Poster Award
for Young Researchers

高瀬恵子

Density-imbalance Stability
Diagram of the νT=1 Bilayer
Electron System at Full Spin
Polarization

第 27 回日本結晶成長学会
論文賞

嘉数

誠

有機金属気相成長素過程の研究と高効率窒化アル
ミニウム素子への応用

応用物理学会優秀論文賞

岡本 創
伊藤 大介
小野満 恒二寒川 哲臣
山口 浩司

林 雄二郎（北大）
田中 和典（浜松ホトニ
クス，JST）
第 32 回（2010 年度）
赤﨑 達志（NTT 物性基
応用物理学会論文賞
礎研，JST）（応用物理学会優秀論文賞）
定 昌史（北大）
熊野 英和（北大，JST）
末宗 幾夫（北大，JST）

International Conference
on Solid State Devices andMaterials Paper Award

第 24 回 ダ イ ヤ モ ン ド シ
ンポジウム ポスターセッション最優秀賞

48

Controlling Quality Factor in
Micromechanical Resonators 2010.9.14
by Carrier Excitation

Superconductor-based
Light Emitting Diode:
Demonstration of Role of
Cooper Pairs in Radiative
Recombination Processes

2010.9.14

H. Okamoto
D. ItoK. Onomitsu
H. Sanada
H. Gotoh
T. Sogawa
H. Yamaguchi

Carrier-induced Dynamic
Backaction in GaAs
MicromechanicalResonators

2010.9.22

平間

単結晶 n 型 AIN/p 型ダイ
ヤモンド ヘテロ接合ダイ
オード

2010.11.18

一行

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

社内表彰受賞者一覧（2010 年度）

先端技術総合研究所
所長表彰
研究開発賞

松尾 慎治
野崎 謙悟
新家 昭彦
佐藤 具就
フォトニック結晶による超低消費エ川口 悦弘
ネルギーレーザーおよび光スイッチ
谷山 秀昭
の研究
田邉 孝純
硴塚 孝明
チェン チンフィ
納富 雅也

2011.1.19

先端技術総合研究所
所長表彰
功労賞

岡本
江幡
山田
板橋
前田

3 号館クリーンルーム設備改修とSOR 撤去2011.1.19

物性科学基礎研究所
所長表彰
業績賞

日比野 浩樹
影島 博之
田邉 真一
永瀬 雅夫

エピタキシャルグラフェンの成長と評価

2011.3.29

物性科学基礎研究所
所長表彰
業績賞

佐々木

智

量子ドットにおける近藤効果の研究

2011.3.29

物性科学基礎研究所
所長表彰
業績賞

本庄
玉木
武居

利守
潔
弘樹

東京 QKD ネットワーク実証実験への貢献

2011.3.29

物性科学基礎研究所
所長表彰
功労賞

住友
前田

弘二
文彦

大型固定資産除却による研究スペー
ス確保への貢献

2011.3.29

物性科学基礎研究所
所長表彰
論文賞

野崎
田辺
新家
松尾
佐藤
谷山
納富

謙悟
孝純
昭彦
慎治
具就
秀昭
雅也

"Sub-femtojoule All-optical Switching
using a Photonic-crystal Nanocavity,"
Nature Photonics 4, 477 (2010).

2011.3.29

物性科学基礎研究所
所長表彰
論文賞

中ノ
齊藤
仙場

勇人
志郎
浩一

"Quantum Time Evolution in a Qubit
Readout Process with a Josephson
Bifurcation Amplifier," Phys. Rev. Lett.
102, 257003 (2009).

2011.3.29

謙介
眞"Time-of-Flight Imaging
Method to Observe Signatures ofAntiferromagnetically Ordered States of
Fermionic Atoms in an Optical Lattice,"
Phys. Rev. Lett. 105, 173002 (2010) .

2011.3.29

ジョセフソン分岐増幅技術を用いた
低侵襲量子状態測定

2011.3.29

稔
啓介
浩治
聖一
文彦

物性科学基礎研究所
所長表彰
論文賞

稲葉
山下

物性科学基礎研究所
所長表彰
奨励賞

角柳 孝輔

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )49

報 道 一 覧（2010 年度）

50

発表月日

発表媒体

見出し

5月 3日

日経産業新聞光スイッチ 消費エネ大幅削減
NTT、1/200 に 微細化で集積も

5 月 12 日

日刊工業新聞5 月 17 日

通信興業新聞6月 2日

日刊工業新聞7月 8日

日経産業新聞7 月 17 日

日本経済新聞7 月 18 日

日本経済新聞8月 3日

日刊工業新聞8月 3日

日経産業新聞9月 3日

日経産業新聞携帯電話向け量子暗号

9月 3日

日本経済新聞

盗聴不可能な「量子暗号」技術
三菱電機、携帯に応用

10 月 14 日

日本経済新聞10 月 15 日

日刊工業新聞10 月 15 日

日経産業新聞10 月 15 日

毎日新聞

半導体に原子積み上げ
NTT、ナノ構造で新技法
光スイッチの消費エネルギー

世界最小化に成功

NTT など光スイッチ 微小エネルギーで動作
NTT フォトニック結晶で情報暗号化する新素子
北大など

超電導・LED 応用

富士通や NTT
薄くて透明

新型炭素材技術

炭素材料に新顔

壁に張るパソコンなど期待最小電力レーザー開発
フォトニック結晶使用
半導体レーザー
NTT

NTT

CMOS 集積化可能に

消費エネルギー 1/10

光回線の基盤技術に

光 LSI 向け新素材

三菱電、鍵共有型ソフト

特定周波数だけ反射

東大・NTT
量子暗号ネットワーク
NEC など動画配信実験に成功

世界標準獲得目指す

TV 会議 「量子暗号通信」で伝送情通機構 NEC・東芝など参加
テレビ会議盗聴
情報通信研究機構

暗号で不可能にNTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

発表月日

発表媒体

見出し

10 月 15 日

電波新聞

10 月 15 日

日本経済新聞10 月 15 日

電気新聞

NICT など

10 月 15 日

毎日新聞（大阪）

TV 会議盗聴防ぐシステム

10 月 15 日

化学工業日報情報通信研究機構

盗聴、解読不可の量子暗号ネット

最長 90㌔の試験運用

NEC、三菱などと協力

盗聴不能な量子暗号通信

TV 会議で伝送試験

情報通信機構や NEC など
量子暗号ネットワーク

NICT など試験運用開始

都内で試験運用へ

情報通信機構世界初量子暗号テレビ会議

伝送距離・速度・大幅向上

14 年実用化目指す

絶対に破られない暗号
10 月 18 日

電経新聞

量子暗号ネットワークで多地点テレビ会議
NICT

10 月 20 日

電波タイムズ10 月 22 日

科学新聞

10 月 25 日

日本情報産業新聞

10 月 25 日

映像新聞

12 月 16 日

日経産業新聞2 月 16 日

日刊工業新聞NTT や NEC らと世界初の試験運用

NICT など量子暗号ネットワーク試験運用を開始
絶対に盗聴できない“究極の暗号”アピール
量子暗号通信の実用化へ

試験運用を日本で開始－世界初の動画通信を公開－
量子暗号で実証実験

テレビ会議システム開発

NICT/NEC/ 三菱電機 /NTT
量子暗号ネットワークを構築

NICT，NTT などが試験運転

伝送距離 90 km、100 kbps 達成
NTT、シリコン発光

波長幅広く1 素子で大容量通信可能

ナノマシンコンピューター実現へ
板バネの振動で演算

NTT

ナノマシンコンピュータ実現へ期待
2 月 25 日

3 月 21 日

科学新聞

日刊工業新聞微細な板バネの振動利用
1 個で複数論理演算を同時にNTT

スピン軌道相互作用

精密に決定

北大と NTT

大きさ

次世代素子の開発加速

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )51

学術論文掲載件数、国際会議発表件数および出願特許件数（2010 年）
2010 年に国内外の学術論文誌（英文）に掲載された学術論文の件数は、物性科学基礎研究所全体で 130 件、国際会議の発表件数は 187 件です。また出願特許数は 58 件になります。以下に分野別の件数を示します。

学術論文掲載件数（2010.1−2010.12）
機能物質科学34

量子電子物性

40

量子光物性

56

0

10

20

30

40

50

60

掲載件数

国際会議発表件数（2010.1−2010.12）
機能物質科学40

量子電子物性

87

量子光物性

60

0

20

40

60

80

100

発表件数

特許出願件数（2010.1−2010.12）
機能物質科学28

量子電子物性

21

量子光物性

9

0

5

10

出願件数

52

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

15

20

25

30

学術論文の主な掲載先と掲載件数は以下のとおりです。
雑誌名Applied Physics Letters
Applied Physics Express
Japanese Journal of Applied Physics
Physical Review B
Physical Review Letters
Physical Review A
Optics Express
Nature Photonics
Optics Letters
Reviews of Modern Physics
Reports on Progress in Physics
CarbonJournal of Physical Chemistry C
Langmuir
Nanotechnology
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
Biochimica et Biophysica Acta, General Subjects
Nature Communications(IF2009*)
3.554
2.223
1.138
3.475
7.328
2.866
3.278
22.8693.059
33.145
11.444
4.504
4.224
3.898
3.137
3.064
2.958
-

件数
15
13
13
10
9
5
3
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1

*IF2009：インパクトファクター 2009（出展、Journal Citation Reports, 2009）

研究所全体では、一論文当たりの平均インパクトファクターは 3.13 です。

国際会議の主な発表先と発表件数は以下のとおりです。
国際会議名2010 International Conference on Solid State Devices and Materials
The 37th International Symposium on Compound Semiconductors
30th International Conference on the Physics of Semiconductors
Quantum Nanostructures and Spin-related Phenomena
23rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
Updating Quantum Cryptography and Communications 2010

件数
13
12
11
9
8
8

The 6th International Conference on the Physics and Applications of Spin Related
Phenomena in Semiconductors

6

16th Internatinal Conference on Molecular Beam Epitaxy
CLEO/QELSInternational Symposium on Physics of Quantum Technology
Materials Research Society Meeting
Gordon Research Conference

5
5
5
4
4

The 19th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics andNanotechnology

4

10th International Conference on Quantum Communication
Adv. Func. 3D control. Quantum Structures
European Materials Research Society
Photonic and Electromagnetic Crystal Structures 2010
The 6th International Workshop on Nano-scale Spectroscopy and Nanotechnology
International Symposium on Graphene Devices 2010

3
3
3
3
3
3

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )53

国際会議招待講演一覧（2010 年）
I. 機能物質科学関連

54

(1)

K. Torimitsu, "Nanobiodevice architecture using receptor protein", International Conference on
Nanoscience and Nanotechnology (ICONN 2010), Sydney, Australia (Feb. 2010). (Plenary)(2)

K. Torimitsu, Y. Shinozaki, N. Kasai, A. Shimada, K. Sumitomo, C. Ramanujan, and J. F. Ryan,"Understanding the structure and functions of receptor proteins", International Conference on Nanoscienceand Nanotechnology (ICONN 2010), Sydney, Australia (Feb. 2010).

(3)

H. Hibino, H. Kageshima, and M. Nagase, "In-situ surface electron microscopy observations of growthand etching of epitaxial few-layer graphene on SiC", International Workshop on in situ characterization ofnear surface processes 2010, Eisenerz, Austria (May 2010).

(4)

K. Torimitsu, Y. Shinozaki, N. Kasai, A. Shimada, and K. Sumitomo, "Receptor protein based nanobiointerface", Asia-Pacific Symposium on Nanobionics, Wollongong, Australia (June 2010).

(5)

K. Torimitsu, Y. Shinozaki, N. Kasai, A. Shimada, K. Sumitomo, and Y. Furukawa, "Analysis of receptor
conformation and its functional relations for biomimetic device", International Conferences on Modern
Materials & Technologies 2010, Montecatini Terme, Italy (June 2010).

(6)

K. Hirama, Y. Taniyasu, and M. Kasu, "N-type conduction of single-crystal Si-doped AlN (0001) layergrown on diamond (111) substrate", The 37th International Symposium on Compound Semiconductors,
Takamatsu, Japan (June 2010).

(7)

K. Torimitsu, Y. Shinozaki, Y. Furukawa, N. Kasai, and K. Sumitomo, "Conformational nanostructure
analysis of receptor protein and its application for biomimetic device formation", Gordon Research
Conferences, Tilton, U.S.A. (July 2010).

(8)

T. Akasaka, Y. Kobayashi, and M. Kasu, "Step-free GaN hexagons grown by selective-area MOVPE",The 3rd International Symposium on Growth of III-Nitrides, Montpellier, France (July 2010).

(9)

M. Kasu, "Surface kinetics and growth modes in metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) andtheir applications to aluminum nitride (AlN)", 16th International Conference on Crystal Growth (ICCG16)/14th International Conference on Vapor Phase Epitaxy (ICVGE-14), Beijing, China (Aug. 2010).

(10)

H. Hibino, "Dynamics of Si surface morphology/Epitaxial graphene growth on SiC surfaces", The 14th
International Summer School on Crystal Growth (ISSCG-14), Dalian, China (Aug. 2010).

(11)

Y. Shinozaki, "Dynamic structural changes in single receptor protein observed with fast-scanning atomic
force microscopy", 9th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy, Ishikawa,Japan (Aug. 2010).

(12)

H. Hibino, "Surface electron microscopy of epitaxial graphene", 2nd International Symposuim on the
Science and Technology of Epitaxial Graphene, Amelia Island, U.S.A. (Sep. 2010).

(13)

H. Hibino, H. Kageshima, S. Tanabe, and M. Nagase, "Growth, structure, and transport properties of
epitaxial graphene on SiC", International Symposium on Graphene Devices 2010, Sendai, Japan (Oct. 2010).

(14)

K. Torimitsu, "Functional analysis of receptor protein for biomimetic device formation - structure andfunction -", 4th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2010), Okazaki, Japan (Nov. 2010).

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )II. 量子電子物性関連(1)

H. Yamaguchi, I. Mahboob, H. Okamoto, and K. Onomitsu, "Micro/nanoelectromechanical systems foradvanced semiconductor devices", 2010 International RCIQE/CREST Joint Workshop, Sapporo, Japan (Mar.
2010).

(2)

Y. Ono, A. H. Khalafalla, K. Nishiguchi, and A. Fujiwara, "Single dopant effects in silicon nanotransistors", Single Dopant Control (SDC2010), Leiden, Netherlands (Mar. 2010).

(3)

Y. Ono, M. A. H. Khalafalla, K. Nishiguchi, and A. Fujiwara, "Single dopant effects in silicon nanotransistors", The 2010 International Symposium on Atom-scale Silicon Hybrid Nanotechnologies for 'Morethan-Moore' & 'Beyond CMOS' Era, Southampton, U.K. (Mar. 2010).

(4)

A. Fujiwara, K. Nishiguchi, and Y. Ono, "Single-electron transfer technology using Si nanowire
MOSFETs", The 2010 International Symposium on Atom-scale Silicon Hybrid Nanotechnologies for 'Morethan-Moore' & 'Beyond CMOS' Era, Southampton, U.K. (Mar. 2010).

(5)

K. Semba, "Manipulation of entanglement in the heterogeneous quantum system", 5th International
Workshop on "Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with Atoms andPhotons" ad memoriam of Carlo Novero & the 3rd Italian Quantum Information Science Conference (VQuantum 2010 & 3rd IQIS2010), Torino, Italy (May 2010).

(6)

H. Yamaguchi, I. Mahboob, H. Okamoto, and K. Onomitsu, "Challenge for electromechanical logic
systems using compound semiconductor heterostructure", 2010 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals
and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD2010), Tokyo, Japan (June 2010). (Plenary)(7)

Y. Okazaki, S. Sasaki, and K. Muraki, "Spin/pseudospin Kondo effect in a capacitively coupled parallel
double quantum dot", 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2010), Seoul,
Korea (July 2010).

(8)

H. Yamaguchi, H. Okamoto, Y. Maruta, S. Ishihara, and Y. Hirayama, "Mechanical to electrical energy
transduction using a micromechanical 2DES cantilever", 16th International Conference on Molecular Beam
Epitaxy (MBE2010), Berlin, Germany (Aug. 2010).

(9)

K. Kanisawa, "Structure of a single hydrogenic defect in a semiconductor quantum well", Gordon
Research Conference: Defects in Semiconductors (GRC), New London, U.S.A. (Aug. 2010).

(10)

H. Kageshima, H. Hibino, M. Nagase, Y. Sekine, and H. Yamaguchi, "Theoretical study on functions ofgraphene", The 2nd International Symposium on Graphene Devices: Technology, Physics, and Modeling(ISGD 2010), Sendai, Japan (Oct. 2010).

(11)

H. Kageshima, "Mechanism of nanochannel formation processes: thermal oxidation of Si nanostructuresand graphene formation on SiC", International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology(ICSICT2010), Shanghai, China (Nov. 2010).

(12)

H. Kageshima, H. Hibino, M. Nagase, Y. Sekine, and H. Yamaguchi, "Theoretical study on growth,
structure, and physical properties of graphene on SiC", Japan-Korea Symposium on Surface andNanostructure 9th (JKSSN9), Sendai, Japan (Nov. 2010).

(13)

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application", 23rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2010), Fukuoka,
Japan (Nov. 2010).

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )

55

(14)

H. Yamaguchi, "Quantum effects of motion", Japanese-American Frontiers of Science (JAFoS2010),
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(15)

K. Nishiguchi and A. Fujiwara, "Single-electron applications using nano-wire MOSFETs", 2010
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III. 量子光物性関連

56

(1)

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driven by a few-cycle laser pulse on carrier-envelope phase", 4th Asian Workshop on Generation andApplications of Coherent XUV and X-ray Radiation, Pohang, Korea (Jan. 2010).

(2)

M. Notomi, "Low-power nanophotonic components based on photonic crystals", SPIE Photonics West,San Francisco, U.S.A. (Jan. 2010).

(3)

M. Notomi, "Nonlinear and adiabatic control of light by photonic crystals", 2nd International Conference
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(4)

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Ablation Conference, Santa Fe, U.S.A. (Apr. 2010).

(5)

M. Notomi, E. Kuramochi, T. Tanabe, and H. Taniyama, "Manipulating light with photonic crystal
nanocavities and their coupled arrays", SPIE Photonics Europe, Brussels, Belgium (Apr. 2010).

(6)

T. Nishikawa, A. Ishizawa, A. Mizudori, H. Takara, H. Nakano, A. Takeda, and M. Koga, "Approachto achieving a wider mode spacing carrier-envelope phase-locked frequency comb at telecommunications
wavelength region", The 2th Shanghai Tokyo Advanced Research Symposium on Ultra Intense Laser
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(7)

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heterostructure", Conference on Lasers and Electro-Optics, San Jose, U.S.A. (May 2010).

(8)

K. Nozaki, T. Tanabe, A. Shinya, S. Matsuo, G. Sato, T. Kakizuka, E. Kuramochi, M. Notomi, and
H. Taniyama, "Extremely-low-power nanophotonic devices based on photonic crystals", Photonics in
Switching 2010, Monterey, U.S.A. (July 2010).

(9)

M. Notomi, "Photonic crystal for green ICT?", Photonics and Electromagnetic Crystal Structures (PECS
IX), Granada, Spain (Sep. 2010).

(10)

T. Honjo, H. Takesue, and Y. Tokura, "Quantum key distribution/communication research in NTT",
Updating Quantum Cryptography and Communication (UQCC) 2010, Tokyo, Japan (Oct. 2010).

(11)

W. Munro, "Scalable quantum repeaters and quantum networks", Updating Quantum Cryptography andCommunication (UQCC) 2010, Tokyo, Japan (Oct. 2010).

(12)

H. Nakano, K. Oguri, A. Ishizawa, and T. Nishikawa, "Ultrafast time-resolved spectroscopy using x-ray
pulses driven by femtosecond laser pulses", 6th Asian Symposium on Intense Laser Science (ASILS 6),
Beijing, China (Oct. 2010).

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )(13)K. Tateno, G. Zhang, H. Gotoh, and T. Sogawa, "Characterization of quantum dots in III-V
semiconductor nanowires", 6th International Workshop on Nano-Scale Spectroscopy & Nanotechnology(NSS6), Kobe, Japan (Oct. 2010).

(14)

H. Takesue, "Single-photon frequency downconversion experiment", Photonics Global, Singapore,
Singapore (Dec. 2010).

(15)

H. Nakano, K. Oguri, A. Ishizawa, and T. Nishikawa, "High-order harmonics of carrier-envelope
phase controlled few-cycle laser pulse for probing dynamics of photo-excited solid surface", International
Symposium on Ultrafast Intense Laser Science, Hawaii, U.S.A. (Dec. 2010).

NTT 物性科学基礎研究所の研究活動 Vol. 21 ( 2010 年度 )57

編集 “NTT 物性科学基礎研究所の研究活動”編集委員会
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