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、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。
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、トポロジカル絶縁体と超伝導体を接合したハイブリッド構造も作成しています。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。
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。
2. マイクロ波回路共振器と量子構造の相互作用
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。本手法は量子ドットのみならず共振器と相互作用する量子構造にも適用することが可能であるため、我我々が興味を持つ量子構造の分光測定にも用いることができます。
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、マヨラナ粒子が現れる系として超伝導体とトポロジカル絶縁体のヘテロ接合を作成し、その観測を目指しています。
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。
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。