【研究領域課題番号】20K03831 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / ゆらぎの定理 / マグノン / 量子ドット / カーボンナノチューブ / 磁気抵抗 / オンサーガー関係式 / マグノン輸送 / スピンポンピング / 磁気トンネル接合 / 反強磁性体

【研究成果の概要】

前年度に引き続き、スピントロニクス分野の物理現象に対して、微視的な模型に基づく理論研究を展開し、(1) スピン軌道相互作用のある二次元電子系と強磁性絶縁体の接合におけるスピン共鳴の理論、(2) 近藤状態にある磁性不純物を介したスピンポンピングの理論、(3) スピンホール磁気抵抗現象におけるゆらぎの定理、について論文を出版した。これらの研究によって、磁性体と金属の界面におけるスピン流の微視的機構や新規物理現象の提案を行うことができた。今後の実験検証を強く期待したい。
さらにスピントロニクスとメゾスコピック系の境界領域の問題として、(4) スピン回転結合を利用したナノモーターの理論提案、(5) 量子ドット中の多電子スピン状態におけるスピン緩和時間の理論解析(実験との共同研究)、(6) 量子ラビ系を介した熱輸送の理論構築、などを行なった。特に(4), (5)の成果についてはPhys. Rev. Lett.誌で出版されており、プレスリリースも行っている。
高強度光パルスによる新しいスピントロニクス制御方法への道を探るための準備として、(7) GaAsにおける高次高調波におけるずり応力効果の解析、(8) GaAsにおける非摂動領域の高次高調波の理論の構築を行なった。これらの光との相互作用については、今後スピン流生成の新しい手法として用いることができると期待しており、現在研究を推し進めている。
この他に次の欄で記述するように、研究成果を5編のプレプリントとしてまとめることができている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究領域課題番号】20KK0113 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単一スピン / 量子ドット / 表面弾性波 / スピントロニクス / 交換相互作用 / スピン-歪結合 / 量子ビット / スピンー歪結合

【研究成果の概要】

本研究は、フランス国立科学研究センター(CNRS)のネール研究所(Neel Institut)のL. Besombes, H. Boukariとの共同研究により、半導体ドット中の単一磁性スピンを対象に、格子振動によるスピンの変調と制御を実現し、格子振動を媒介としたスピン間の量子情報伝達に応用することを目的としている。CdTeドット中のCr原子1個のスピンに対し、表面弾性波(SAW)により時間的に変動する格子歪を加え、Crスピン状態の変調を検証することを目指す。今年度は以下の研究を行った。
(1) Cr原子1個を含むCdTe 自己形成ドット(SAD)に対して、SAW発生のための試料構造を作製し、SAW発生下でのフォトルミネッセンス(PL)測定を行った。ドット中の励起子発光スペクトルのSAW発生による変化を観測し、ドット中のCrスピン状態の格子振動による変調を確認した。
(2) これまでのCdTeドット試料の作製法として用いてきた格子歪を利用したドットの自己形成に代えて、CdTe/ZnTeの量子井戸構造におけるCdTe井戸層幅の揺らぎに伴う励起子の零次元閉じ込めを利用した量子構造の試料作製に取り組んだ。量子井戸における閉じ込めポテンシャルの異方性に起因する励起子発光線の分裂を観測し、閉じ込めポテンシャルの大きさを評価した。またCr添加に伴う発光強度の変化を観測し、最適なCr添加量の検討を行った。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

【研究期間】2020-10-27 - 2025-03-31

【配分額】18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15K05124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系 / 非平衡統計力学 / スピントロニクス / 量子輸送理論 / 物性理論 / 量子ドット / 光物性 / フォノン輸送

【研究成果の概要】

ナノスケール素子の高速駆動に関する理論研究を行い、以下のような成果を得た: (1)強い周期外場のもとでの電流ゆらぎの理論を構築し、量子ドット内のクーロン相互作用の影響を議論した。(2)強磁性絶縁体と金属の界面で、スピンゼーベック効果およびスピンポンピング現象で生成されるスピン流について、その揺らぎの微視的理論を構築した。(3)リードと量子ドットからなる系で、リードの温度・化学ポテンシャルを周期的に変調させたときの電荷ポンプの理論を構築した。(4)ナノスケール素子を介した熱輸送の理論研究を行った。(5)実験家と協力し、磁性絶縁体ErFeO3の強強度テラヘルツ光による高速磁気応答を考察した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24540316 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系・局在 / 近藤効果 / 量子コヒーレンス / 非平衡統計力学 / スピントロニクス / メゾスコピック系 / 物性理論 / 量子ドット / 半導体 / 非平衡輸送特性 / 電子相関

【研究成果の概要】

不純物アンダーソン模型で記述される単一の量子ドットで、時間に依存する外場の影響およびバーテックス補正の効果を議論した。この計算は相互作用のある系の光支援輸送を理解するときの理論的な出発点を与えるとともに、高次の保存近似の出発点となる。そのほか、単一電子生成および単一光子生成における位相緩和の効果、局所的な二準位系を介した熱輸送、金属中のスピン拡散長とスピン局在長の関係などについても、理論的な考察を行った。分担研究者の阪野塁は高バイアス下不純物アンダーソン模型における非平衡輸送特性とSU(N)模型への拡張を行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【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】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】22360032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光制御 / スピントロニクス / 量子ドット / 円偏光 / フォトルミネッセンス / 発光ダイオード / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 光物件 / エピタキシャル成長 / 光物性 / エじタキシャル成長

【研究成果の概要】

本研究は、1.3 ミクロン帯または可視光域で円偏光光源に応用可能な半導体の探索を目的とした。波長1 ミクロンより長波側の発光では、InAs コラムナー量子ドットが、波長1.06 ミクロンで3.42 ns の長いスピン緩和を示すことを明らかにし、また、InAs 高均一量子ドットが、面内異方性により基底準位から第二励起準位までいずれも安定な楕円偏光を示すことを初めて明らかにした。可視光域では、Ge 基板上の高Si ドープGaInP のドナーアクセプタ対の発光(687nm)のスピン緩和が210 ns と既報告の中で最も長いものの一つであることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【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】20840011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 半導体 / ナノエレクトロニクス / スピントロニクス / 量子ドット / 物性理論 / ナノ材料 / 半導体物性 / スピンエレクトロニクス / グラフェン・ナノディスワ / グラフェン・ナノディスク

【研究成果の概要】

グラフェン及びグラフェン派生物質に付随する物理現象は,現在の物性物理で最も注目を集めている物の一つである.特に,グラフェンを一次元状に切り出したグラフェン・ナノリボンに関しては多くの研究がなされている.同様に重要な物質として,グラフェン・ナノディスクがある.これは閉じた境界を持つグラフェン派生物である.このナノディスクという新しい物理系の豊かな電磁的性質を明らかにし,バンド構造などの基礎的物性から,スピントロニクスなどの応用まで論じた.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】2,977千円 (直接経費: 2,290千円、間接経費: 687千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】18360042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光プロセシング / 量子ドット / スピントロニクス / スピン / 化合物半導体 / フォトルミネッセンス

【研究成果の概要】

半導体量子ドットのスピンを光によって操作するには、高いスピン偏極率や、長いスピン緩和時間の実現が望まれる。本研究では、均一性が高い量子ドットの第二励起準位で、円偏光励起によって45%もの高いスピン偏極率の初期値が得られることを明らかにした。また、柱状の形状を持ち縦方向に量子力学的に結合したコラムナ量子ドットで、円偏光励起によって5.3 nsもの長いスピン緩和時間が得られることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】16,820千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 1,320千円)