【研究領域課題番号】21K03415 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子多体効果 / 局所フェルミ流体 / 量子ドット / 近藤効果 / 輸送現象 / 量子干渉効果 / 量子もつれ / メゾスコピック / 多体効果 / 量子輸送

【研究成果の概要】

極低温で量子多体効果の起こっているカーボンナノチューブで作成された量子ドットの電流特性を、実験グループと協力し明らかにした。特に量子ドットに局所フェルミ流体状態が形成されるときの、電流のバイアス電圧に対する非線形特性も注目した。その結果、磁場やドット準位の変動に対する応答中に、既存の局所フェルミ流体論を超えた、フェルミ流体補正効果の実験観測において初めて成功した。フェルミ流体補正項は３体相関の寄与によって記述されることが理論的に明らかになっていて、この実験では既存の２体までの相関で記述されるフェルミ流体を超えて、より多くの電子による相関状態の観測に成功したことを意味する。
また、２つの電極に繋がれた量子ドットのバイアス電圧の非線形までの電流応答を理論的に明らかにした。特に、２つの電極と量子ドットの結合の非対称性の電流への影響を明らかにした。非対称性として、左右のリードとドットの電子の混成と、左右の電極への電圧の印加の２つに注目し微視的理論により調べた。その結果、電流のバイアス電圧の２次の応答に準粒子相互作用によるハートリー項と、３次の応答で３体相関による効果が増幅されることがわかった。さらに、磁場応答やドットの準位の変動変動に対するケルディッシュ形式に基づいた微視的理論を構築した。その結果、ケルディッシュ形式のグリーン関数の低エネルギーで、周波数、温度、バイアス電圧の２次までの厳密な表式を導出することに成功した。これらの理論研究により、多体効果により低エネルギーで形成される量子状態が体系的に明らかになった。
また、リード電極に並列に２つの量子ドットがつながった系の多体効果と量子干渉効果による輸送特性を明らかにした。特に多体効果によって形成された散乱位相の測定のための実験と比較するため、複数のリード電極を用意し、電流測定に与える影響を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】16K17723 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

近藤効果 / 量子ドット / 非局所相関 / 量子輸送 / 量子相関 / 電子輸送 / フェルミ流体 / 繰り込まれた摂動論 / 電流交差相関 / 電流揺らぎ / 量子もつれ / 物性理論 / メゾスコピック系 / 強相関電子系

【研究成果の概要】

半導体ナノスケール素子によって組み上げられた人工量子系中で観測される、量子多体効果の性質を電流ゆらぎを用いて明らかにした。特に制御された素子の持つ対称性の効果と、多体効果によって形成された量子もつれ状態の特性を明らかにした。具体的にはカーボンナノチューブ量子ドットの近藤効果を磁場やゲート電圧、電極の接合を変化させることにより非線形電流や電流ゆらぎに現れる、フェルミ流体特性を超えた補正項の性質を実験、理論により明らかにした。また、２重量子ドットに電流中に近藤効果によって励起された量子もつれの性質を明らかにし、ベルの不等式を用いた量子もつれによる非局所相関の実証方法を明らかにした。

【研究の社会的意義】

本研究で調べられた近藤効果は、電子による多体効果の最も基本的な現象である。その現象の低エネルギーでの発現機構は５０年以上に渡って徹底的に研究されてきて、すでによくわかっている。しかし、動的性質についてはまだ未解決で重要な問題が多く、今日まで研究が続いている。さらに、近藤効果の動的性質の理解を深めることは、物質の機能・性質を明らかにする重要な鍵となる。また、近藤効果は磁気モーメントなど電子の持つ特性に非常に敏感であり、ナノスケール素子で量子多体効果の制御と観測の成功は、電子の性質を利用する新しい微小デバイスの加工、制御技術の向上に大きく貢献すると考えられる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】26420320 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 発光ダイオード / サイドゲート / ナノコラム / 単一光子 / 量子もつれ / 単一光子発生 / サイドゲート素子 / 単一光子源

【研究成果の概要】

本研究では、まず、研究蓄積の深いInAs自己量子ドットを用いて、コンパクトな実装に不可欠であるだけでなく、光の回折限界を超えた集積化、量子もつれを用いる集積化に重要な電流注入型サイドゲート素子の開発を行った。素子の作製プロセスおよびゲート制御に必要なフリップチップ型の実装及び測定手法の確立に成功した。達成したエネルギー変化量0.3meVは、これまでに量子もつれ状態作製に用いられている光励起型と同等であり、コンパクトな実装に適した電流注入型において集積化への道筋が開けたと考えている。さらに、集積化への次ステップとして、高密度集積化可能なナノコラムからの単一光子発生を実証し、その有望性を示した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20241033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントランジスタ / スピン注入 / スピントロニクス / 量子計算 / 量子ドット / 量子もつれ / スピン / インジウム砒素 / スピン軌道相互作用 / スピンブロッケード / 量子計算機 / 量子ビット / InAs

【研究成果の概要】

インジウム砒素系化合物半導体と鉄電極界面における界面反応により生成される化合物がスピン注入効率をブロックしていることを界面の相図を調べることにより探索した。鉄系のスピン源を用いて観測されたスピントランジスタの電流振動が理論計算とよく一致していることを確認した。金コロイドを用いるインジウム砒素ナノワイヤの結晶成長の最適化を応用してナノワイヤスピントランジスタを作製し、スピン軌道相互作用に起因すると思われる電流変調を観測した。量子ドットを集積したスピントランジスタ構造の量子計算機デバイスにおいてスピン注入効率が最大40%(実績37%)のFe/InAs強磁性/半導体ハイブリッド系では、スピンチャンネル/量子ドット系による量子もつれの実証はむずかしいこと、60%以上のスピン注入効率で有意差が見られ、80%程度のスピン偏極率があれば、明瞭に量子もつれが観測できることを理論的に予測できた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15634011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子計算 / 量子もつれ / フォトン / 量子暗号通信 / 量子通信中継機 / 量子ドット / ラビ振動 / 励起子

【研究成果の概要】

電子や光子,あるいはスピン等の量子もつれを利用する量子計算は,従来の古典的フォン・ノイマン型計算機を凌駕する演算速度が予想され,未来技術として大きな期待が寄せられている。量子計算の実現には種々の方式が提案されていて,現時点でそれらの優劣を判定することは難しい。しかし,モードロックレーザーによる超短光パルスの発生や,複数の波長のレーザー光を用いたラマン過程による複合的な電子系の制御,あるいは,フォトンカウンティング等の高効率検出法の存在を考慮すると,光学的手法が有力候補であることは疑い得ない。本研究では,(1)招待講演者ならびに公募講演者によるシンポジウムの開催,および,(2)主要な国際会議の聴講による研究動向調査を行って,固体中の光学過程を用いた量子計算実現の可能性について総合的な調査研究を行った。
平成15年8月18日,19日の両日につくば市の物質・材料研究機構で開催したシンポジウム「固体中の光学過程による量子計算の可能性」では,14名の講演者が(1)量子暗号通信,(2)量子もつれ合い光子対の生成,(3)量子通信中継機,(4)量子ドット中電子準位の光学的操作,(5)単一ドットの励起子ラビ振動,(6)共振器QED,(7)輻射場設計と量子計算,等々のテーマについて講演し,議論を深めた。国際会議については,(1)第48回SPIE国際会議Quantum Communications and Quantum Imaging(ロサンゼルス),(2)第16回国際レーザー分光会議(ヶアンズ),(3)CLEOヨーロッパ(ミュンヘン),(4)Photonics West(サンノゼ)にそれぞれ1名を派遣して,量子計算と関連分野の最新の研究動向を調査した。
以上の調査研究の成果に基づいて,光学的量子計算の実現を目指す「エキゾチックフォトンの研究」を平成16年度新規特定領域研究課題として提案した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)