テラヘルツ励起による単一電子のコヒーレント制御と機能性素子への応用

太赫兹激发对单电子的相干控制及其在功能器件中的应用

基本信息

批准号：
21K04820
负责人：
柴田憲治
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tohoku Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04820/
关键词：
量子ドット単一電子トランジスタテラヘルツ

项目摘要

本研究では、応募者がこれまでに培った10 nm級量子ドットの単一電子トランジスタへの応用技術に基礎を置き、単一電子・スピン状態とその動力学がクーロン相互作用やスピン相互作用、テラヘルツ（THz）光、フォノンなどを用いて多彩に制御できることを実証するとともに、量子情報処理に向けた新規デバイスへの応用を探索することを目的として研究を行っている。昨年度は本プロジェクトの２年目であり、１年目に成功した単一のPbSコロイド量子ドットを活性層とするトランジスタ素子の作製と評価を引き続き行うことで、単一PbSコロイド量子ドットの電気伝導現象の理解と単一電荷やスピン状態の制御の高度化に関する実験を中心に実施した。その結果、幾つかの新しい知見を得ることができた。まずは、量子ドットのサイズに依存して、帯電エネルギーや量子順位間隔が系統的に変化する様子を明らかにした。さらに、同一の量子ドットであってもドット中の電子軌道に依存して伝導度が何桁も変化する様子を観測し、それがドット中の電子波動関数の空間的な広がりに関与していることを明らかにした。また、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造を適用することにより、PbS量子ドットのホール準位と電子準位のそれぞれを介した電気伝導を観測することに成功した。以上から、良好な光学特性を示すコロイド量子ドットに対して、光学的特性はそのままに、電気伝導素子への応用の道も開くことができた。以上の結果は、本研究提案で予定していた実証実験の適用周波数範囲が、コロイド量子ドットを用いることによってTHz帯のみならず可視光領域まで拡大できることを示唆する結果であり、単一量子ドット素子への量子情報機能の付与がより柔軟に実現できるようになったことを意味している。

在本研究中，我们将基于申请人迄今为止培育的10纳米级量子点在单电子晶体管的应用技术，研究单电子/自旋态及其动力学，如库仑相互作用、自旋相互作用，我们的研究旨在证明可以利用太赫兹（THz）光、声子等以多种方式对其进行控制，并探索在量子信息处理新设备中的应用。去年是该项目的第二年，通过继续制造和评估第一年成功的以单个 PbS 胶体量子点作为有源层的晶体管器件，我们能够提高我们专注于通过实验来了解这一现象并改进对单电荷和自旋态的控制。结果，我们获得了一些新知识。首先，我们阐明了充电能量和量子等级间距如何根据量子点的尺寸而系统地变化。此外，我们观察到，即使对于相同的量子点，电导率也会根据点内的电子轨道而发生几个数量级的变化，这与点内电子波函数的空间扩散有关。此外，通过应用使用离子液体的双电层晶体管结构，我们成功地通过PbS量子点的空穴能级和电子能级观察到导电。综上所述，表现出良好光学性能的胶体量子点可以应用于导电器件，同时保持相同的光学性能。上述结果表明，本研究计划中计划的演示实验的适用频率范围不仅可以扩展到太赫兹频段，还可以通过使用胶体量子点扩展到可见光区域，这意味着现在可以提供量子。使设备的信息功能更加灵活。