研究

ナノデバイス研究 ― 物理現象を機能・デバイスへ

本研究室では、ナノ構造に現れる新規な量子物性を探索し、将来のナノエレクトロニクスに資するナノ構造の電気的・光学的物性の探索およびナノデバイスへ応用する研究を行っています。ナノデバイスは、従来のトランジスタとは全く動作原理を異にし、それが抱える微細化による消費電力の増大という大きな問題を解決する糸口となるだけではなく、電子、スピン、励起子、光などの量子状態を操作することにより、全く違った機能を発現し動作をするものと思われます。具体的には、電子を1個ずつ操作する単電子デバイス、量子ドット中の電子、スピン、励起子等の量子状態、超伝導ジョセフソン接合をコヒーレントに制御する量子コンピューティングデバイスなどを対象としています。また、近年プラズモニクスと呼ばれる金属微細構造を利用して光波をナノスケールで制御する技術が注目されており、それを有機光デバイスへハイブリッド化する応用研究も行っています。

量子効果はデバイスサイズが小さくなればなるほど顕著になることから、従来の半導体リソグラフィー技術(トップダウン技術)では実現が困難なサイズを持ち自己組織化的に形成されるカーボンナノチューブ、グラフェンや半導体ナノワイア(ボトムアップ技術)を主たるBuilding Blockとし、それらを融合した技術でナノデバイスを作製します。また、走査プローブを利用した原子操作やカーボンナノチューブと分子のヘテロ接合を利用して原子・分子スケールの機能的なナノ構造を作製する技術の開発も行っています。扱う物理現象により、ナノデバイスの測定は、室温から希釈冷凍機を用いたmK領域までの広い範囲で行います。本研究室ではデバイスの作製から測定まで一貫して行います。

1. 量子ドットを用いた量子ナノデバイスと電荷・スピンのコヒーレント制御

量子ドットではクーロンブロッケード効果を使って電子数を1個単位で制御することができます。この電子の電荷状態やスピン状態をコヒーレントに制御することは、量子コンピューティングデバイスへつながります。特に電子スピンは、コヒーレンスが長いと期待されるので、量子情報を保持するメモリとして利用することが有効と考えられます。スピンコヒーレンスの長い4族材料からなるカーボンナノチューブや微細Siトランジスタを用いて量子ドットを形成するとともに、スピンを電気的に制御するために重要な大きなスピン軌道相互作用を持つInSb、InAs、Ge/Siを利用します。量子ドットとマイクロ波のコヒーレントな相互作用を利用してスピンのコヒーレントな制御を目指します。
 また、カーボンナノチューブで作製した量子ドットのエネルギースケールはTHz領域にあることから、THz波との量子的な相互作用とその検出器への応用についても研究しています。

[1] Xin Zhou and Koji Ishibashi, “Single charge detection in capacitively coupled integrated single electron transistors based on single-walled carbon nanotubes”, Appl. Phys. Lett. 101, 123506  (2012)
[2] Y. Kawano, T. Fuse, S. Toyokawa, T. Uchida, K. Ishibashi, “Terahertz photon-assisted tunneling in carbon nanotube quantum dots”, J. Appl. Phys. 103, 034307 (2008)
[3] K. Ishibashi, S. Moriyama, T. Fuse, Y. Kawano, S. Toyokawa, T. Yamaguchi, "Artificial atom and quantum teraherz response in carbon nanotube quantum dots”, J. Phys: Condensed Matter, 20, 454205 (2008)
[4] K. Ishibashi, S. Moriyama, D. Tsuya, T. Fuse, M. Suzuki, “Quantum-Dot Nanodevices with Carbon Nanotubes”, J. Vac. Sci. Technol. A24, 1349 (2006)
[5] S. Moriyama, T. Fuse, M. Suzuki, Y. Aoyagi, K. Ishibashi , “Four-electron shell structures and an interacting two-electron system in carbon nanotube quantum dots”, Phys. Rev. Lett. 94, 186806 (2005)

2. マイクロ波回路共振器と電荷・スピンの量子的相互作用(C-QED)

量子ドットに閉じ込めた電荷やスピンは、マイクロ波周波数に対応するエネルギーを持つ人工原子です。共振器中の原子の問題は共振器量子電磁気学として知られています。本研究では人工原子でそれを行い、光子とスピンや電子がハイブリッドした量子状態の生成を目指します。共振器は量子バスとして働くため、共振器を介して空間的に離れた複数の異なる人工原子(量子ビット)を結合させることができるため、量子ハイブリッドプロセッサの実現にとって重要な技術です。

[1] 石橋幸治、Deacon Russell S.、飛田聡、“量子情報デバイスへ向けた半導体ナノワイヤ・カーボンナノチューブとプロセス技術”、応用物理、Vol.84, 428 (2015)
[2] Rui Wang, Russell S. Deacon, Diana Car, Erik P. A. M. Bakkers, and Koji Ishibashi “InSb nanowire double quantum dots coupled to a superconducting microwave cavity”, Appl. Phys. Lett. 108, 203502 (2016)
[3]Rui Wang, Russell Deacon, Jun Yao, Charles Lieber, and Koji Ishibashi, “Electrical modulation of weak-antilocalization and spin orbit interaction in dual gated Ge/Si core/shell nanowires”, Semicond. Sci. Technol., 32, 094002 (2017)

3. 超伝導体/常伝導体ハイブリッド構造

半導体ナノワイア(N)に超伝導体電極(S)を付けたSNS接合は、常伝導体が1次元的であるという点で新しい系です。常伝導体内にアンドレーエフ束縛状態が形成されると考えらており、その分光を行うとともに量子操作の対象としての可能性を探索します。ナノワイアがInAs, InSb、Si/Geなどスピン軌道相互作用が強い材料の場合、マヨラナ粒子が現れる可能性がある系としても注目されています。また、超伝導体とトポロジカル絶縁体のジョセフソン接合に期待される特異な束縛状態に関する研究も行っています。

[1] Russell S. Deacon, Jonas Wiedenmann, Erwann Bocquillon, Teun M. Klapwijk, Philipp Leubner, Christoph Brüne, Seigo Tarucha, Koji Ishibashi, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, “Josephson radiation from gapless Andreev bound states in HgTe-based topological junctions”, Phys. Rev. X 7, 021011(2017)
[2] J. Wiedenmann, E. Bocquillon, R.S. Deacon, S. Hartinger, O. Herrmann, T.M. Klapwijk, L. Maier, C. Ames, C. Bru¨ne, C. Gould, A. Oiwa, K. Ishibashi, S. Tarucha, H. Buhmann & L.W. Molenkamp, “4
pi-periodic Josephson supercurrent in HgTe-based topological Josephson junctions”, Nature Commun. 7, 10303 (2016)
[3] Erwann Bocquillon, Russell S. Deacon, Jonas Wiedenmann, Philipp Leubner, Teun M. Klapwijk, Christoph Brüne, Koji Ishibashi, H. Buhmann, Laurens W. Molenkamp, “Gapless Andreev bound states in the quantum spin Hall insulator HgTe”, Nature Nanotechnology (publish online), DOI:10.1038/nnano.2016.159
[4] T. Nishio, T. Kozakai, S. Amaha, M. Larsson, H. Nilsson, H. Q. Xu, G. Q. Zhang, K. Tateno, H. Takayanagi and K. Ishibashi, “Supercurrent through InAs nanowires with highly transparent superconducting contacts”, Nanotechnology, 22, 445701 (2011)

4. 原子・分子スケール高機能ナノ構造と応用

カーボンナノチューブは単層のものと多層のものがありますが、単層のものは1nm程度という超微細な直径を持ちます。これと分子の化学的な結合(ヘテロ接合)を用いて2重結合量子ドットなど高機能分子スケールナノ構造を作製します。作製した構造を走査トンネル顕微鏡と光学的な手法(ラマンやフォトルミネッセンスなど)を組み合わせて評価するとともに、超微細な電子・光デバイスへの応用を目指します。
多層のものは直径が10nm程度と単層のものに比べて大きいものの、単層のものに比べて半導体デバイスプロセスから受ける影響が小さいので、量子ドットを複数集積化したデバイスの作製に適しています。そこで、荷電ビームなどを局所的に照射して多層ナノチューブ中にトンネル障壁を再現性・制御性良く形成する技術の開発も行っています。
また、究極のナノ構造を目指してSTMをベースとした原子操作技術の開発も行っています。

[1]Masashi Nantoh, Kengo Takashima, Takahiro Yamamoto and Koji Ishibashi, "Sublattice site dependence of local electronic states in superstructures of CO built on a Cu(111) surface", Phys. Rev. B, 96, 035424 (2017)
[2]Hiroshi Tomizawa, Katsuya Suzuki, Tomohiro Yamaguchi, Seiji Akita and Koji Ishibashi, "Control of tunnel barriers in multi-wall carbon nanotubes using focused ion beam irradiation",Nanotechnology, 28, 165302 (2017)
[3]Akira Hida, Takayuki Suzuki, and Koji Ishibashi, “Detecting the formation of single-walled carbon nanotube rings by photoabsorption spectroscopy”, Appl. Phys. Express 9, 085102 (2016)
[4] Akira Hida and Koji Ishibashi, "Molecule-induced quantum confinement in single-walled carbon nanotube", Appl. Phys. Express 8, 045101 (2015)
[5] K. Ishibashi, D. Tsuya, M. Suzuki, and Y. Aoyagi, “Fabrication of single electron inverter in multiwall carbon nanotubes”, Appl. Phys. Lett., 82, 3307 (2003)
[6] M. Suzuki, K. Ishibashi, T. Toratani, D. Tsuya, and Y. Aoyagi: “Tunnel barrier formation using Argon ion irradiation and single quantum dots in multi-wall carbon nanotubes”, Appl. Phys. Lett. 81, 2273 (2002)

5. プラズモニクスの光電子デバイスへの応用

金属が銀色をしているのはその反射率が可視域全域において高いからです。もちろん金属内部を光は伝搬しません。しかし、金属の表面を光は伝搬します。この 光は表面プラズモンと呼ばれており、金属中の自由電子の集団的な振動と強く結びついています。近年、表面プラズモンをあつかった科学や工学はプラズモニク スと呼ばれています。当研究室では金属表面にナノ構造を導入することで光を表面プラズモンとして蓄積したり、また、表面プラズモンから光としてエネルギー をとり出す技術を開発し、光電子デバイスへの応用を行なっています。

[1] K. Takatori, T. Nishino, T. Okamoto, H. Takei, K. Ishibashi, and R. Micheletto, "Indium-free organic thin-film solar cells using a plasmonic electrode," J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 185106 (2016).
[2] T. Okamoto and K. Shinotsuka, "Improvement of light extraction efficiency and reduction of driving voltage in organic light emitting diodes using a plasmonic crystal," Appl. Phys. Lett. 104, 093301 (2014).

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