倉田奨励金研究報告書｜2017 年度（第 49 回）助成■受領№1328

高速ミクロプローブを用いた省エネルギー環境固体ナノデバイスの研究

代表研究者

大塚 朋廣

東北大学電気通信研究所准教授

1．研究⽬的2．研究内容化⽯資源の使⽤に伴う環境破壊や、資源枯渇等

本研究ではまず省エネルギー、環境発電技術等にに関連するエネルギー問題等が、⼈類の経済活動関する新しいエレクトロニクスデバイスを創製すと環境保全とを両⽴する上で問題となってきている際に重要となると考えられる固体ナノデバイスる。この解決に向けて様々なアプローチがなされについて、その内部の電⼦状態を精密に測定し、物ているが、この中で微⼩なエネルギーを有⽤活⽤

理現象をミクロな観点から解明するための、固体ナする省エネルギー技術や、熱運動やノイズ等の環ノ材料中局所電⼦状態測定⼿法の改良を⾏った。

境中の励起や擾乱から電流等を取り出して利⽤し、エレクトロニクスデバイス応⽤で重要となる固環境中のエネルギーを有効活⽤する環境発電等は、体ナノ材料中の電⼦状態を調べるためには、電気これらの問題を科学的観点から解決する際に重要伝導測定が有⽤な⼿法となる。従来の電気伝導測なテクノロジーとして注⽬を集めている。これら定においては、測定を⾏いたい対象が固体ナノ材のテクノロジーを実際に実現するための物理デバ料中の局所電⼦状態であっても、⽐較的マクロなイスとして、固体ナノ材料を利⽤した固体ナノデ電極を試料に取り付けて、試料全体を通って流れバイスは、ナノテクノロジー技術を活⽤することる電流を測定する⼿法が⽤いられてきた。この⼿により、内部の電⼦運動の⾼度な制御や観測が可法は⽐較的簡便ではあるが、電流が試料全体を流能であるため、新しいデバイスの創製や原理検証れるため、局所電⼦状態の情報が平均化されてしに適した系であると考えられている。

まう可能性があるという弱点があった。これに対そこで本研究では、固体ナノデバイス中の電⼦して、半導体量⼦ドット等の⼈⼯ナノ構造を⽤い状態を⾼度に制御する技術、ナノデバイス中の局たミクロなプローブを固体ナノ材料に直接結合さ所的な電⼦状態を精密に観測する技術等を改良、せれば、ナノ材料内部の局所電⼦状態について直発展させて、ナノデバイス内での電⼦移動に関す接的に調べることができる。ナノ材料から半導体る物理現象をミクロな観点から解明する。そして量⼦ドットへの電⼦のトンネル等には、量⼦ドッこの知⾒を活⽤することにより、固体ナノデバイト近傍の局所電⼦状態のみが反映されるため、こスを利⽤した省エネルギー、環境発電技術等につの信号を解析することにより、固体ナノ材料中でいて、その基礎学理の構築や基礎技術の開発に貢の局所電⼦状態についての情報を単⼀電⼦のレベ献することを⽬指す。

ルまで得ることができるようになってきている。

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⼦のトンネル現象において、両者の間には差があることが明らかとなった。
この電荷状態とスピン状態の時間変化の差について、量⼦ドットのエネルギー依存性を調べたところ、フェルミエネルギー近傍で電⼦温度広がり程度変化させると、スピン状態の時間変化が実効的に遅くなる様⼦が観測され、差異が⼤きくなることが分かった。これらの現象について、熱と電⼦のトンネルを考慮したミクロな理論モデルを構
図 1. 半導体量子ドットを用いた高速ミクロプローブ試料の電子顕微鏡写真築し、状態変化を計算した。この結果、観測された実験結果を再現することに成功した。これらの結果は、固体ナノ材料における有限の温度効果にまた半導体量⼦ドットへの電⼦のトンネルにつよる電⼦の移動について、ミクロな観点から測定、いて、⾼周波を⽤いて測定することにより、測定解明した結果であり、今後のデバイス応⽤等にお動作の⾼速化を⾏うことができる。半導体量⼦ドいても重要となると考えられる。[2, 5]

ットプローブを⾼周波の共振器回路に埋め込むことにより、量⼦ドットの状態変化を⾼周波共振器また将来の⾼性能かつ省エネルギーデバイスとの共振変化に結びつけ、共振器からの⾼周波信号して、電⼦の電荷の⾃由度だけでなく、スピンの反射強度の変化として観測することが可能となる。

⾃由度や、量⼦⼒学的状態を活⽤した、スピント

この⾼周波測定⼿法を⽤いることで、ノイズの影ロニクスや量⼦情報処理デバイスが注⽬を集めて響を低減することができ、固体ナノ材料中での単いる。これらの研究においても、固体ナノ材料中⼀電⼦の移動について、マイクロ秒程度の時間分の局所電⼦状態の測定、解明が重要な役割を果た解能で検出することができることを確認した。

す。これらの新しいエレクトロニクスデバイスについても⾼速ミクロプローブの測定⼿法を応⽤し、この⾼速ミクロプローブの⼿法を活⽤して、固測定の⾯から研究推進に貢献した。[1, 3, 4]体ナノ材料中での熱に起因する電⼦の移動現象について測定を⾏った。有限の温度を持つ電⼦系に結合した半導体量⼦ドットにおいては、量⼦ドット内準位が電⼦系のフェルミエネルギーの近傍に電⼦温度広がり以下にある場合には、電⼦のトンネル現象が⽣じる。これにより半導体量⼦ドット内の電⼦の電荷状態、スピン状態が変化することになる。実際に⾼速測定⼿法を活⽤して測定を⾏ったところ、量⼦ドット内の電荷状態とスピン状態が電⼦系との相互作⽤の結果、マイクロ秒程度で変化する様⼦が観測された。またこの際の時間

図 2. 観測された電荷状態とスピン状態の時変化の詳細を調べたところ、電荷状態とスピン状間変化の量子ドット準位依存性

態の時間変化には差があり、単⼀電⼦レベルの電倉田奨励金研究報告書｜2017 年度（第 49 回）助成

３．発表（研究成果の発表）

Tomohiro

1. “Spin–orbit assisted spin funnels in DC

Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichitransport through a physically defined pMOS

Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles

double quantum dot”,

Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito,

Marian Marx, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka,

Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck,

Kenta Takeda, Yu Yamaoka, Takashi Nakajima,and Seigo Tarucha,

Sen Li, Akito Noiri, Tetsuo Kodera, and Seigo

International Symposium on Frontiers ofTarucha,

Quantum Transport in Nano Science, Kashiwa,

Japanese Journal of Applied Physics 58,Japan, Nov. 9, 2018 (Invited).

SBBI07 (2019).
2. “Difference in charge and spin dynamics in aquantum dot-lead coupled system”,
Tomohiro

Otsuka,TakashiNakajima,

Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi
Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles
Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito,
Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck,and Seigo Tarucha,
Physical Review B 99, 085402 (2019).
3. “A fast quantum interface between different
spin qubit encodings”,
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, and Seigo Tarucha,
Nature Communications 9, 5066 (2018).
4. “Four single-spin Rabi oscillations in aquadruple quantum dot”,
Takumi Ito*, Tomohiro Otsuka*, Takashi
Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi
Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito
Noiri, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D.
Wieck, and Seigo Tarucha,
Applied Physics Letters 113, 093102 (2018),(*equal contribution).
5. “Charge and Spin Dynamics in a Quantum
Dot-Lead Hybrid System”,

Otsuka,TakashiNakajima,