Terahertz dynamics of single molecule transistors and its application to quantum information processing

单分子晶体管的太赫兹动力学及其在量子信息处理中的应用

基本信息

批准号：
20H05660
负责人：
平川一彦
金额：
$ 122.14万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-08-31 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

近年、量子ドット、単一分子など極微ナノ構造を活性層に用いた新規トランジスタの研究が注目されている。特に、単一分子は分子機能を応用できるデバイスとして注目されるとともに、分子振動や核スピンなどが新しい量子情報処理の媒体となる可能性も検討されている。このようなナノ構造中の量子準位や分子振動などの素励起のエネルギーは、おおよそテラヘルツ（THz）電磁波の光子エネルギーに対応するため、THz電磁波との相互作用の研究は、ナノ量子構造の物理の解明やその応用に適していると考えられる。特に、ナノギャップ中のTHz電界は大きく増強されるため、極めて強いTHz交流電界と電子系の相互作用という非常に興味深い状況も作り出せることもわかってきた。ちょうど今、THz電磁波と極微ナノ構造の相互作用の研究は新しいフェーズに入ったと言えよう。上記のような背景の下、現在立ち上がりつつある原子スケールの「テラヘルツナノサイエンス」という新しい分野をさらに推進・深化させ、応用への展開可能性を探ることを本研究の目的とする。本年度は、特に、単一の水分子を内包したフラーレン分子（H2O@C60）を活性層とする単一分子トランジスタのコンダクタンの磁場依存性を測定し、低磁場領域ででクーロンピークのコンダクタンスがヒステリシスを示すことや分裂を起こすことを見出し、その起源を検討している。また分子一個の電子スピン共鳴の測定に成功した。さらに、半導体量子ドットや量子ポイントコンタクトとsplit ring resonator (SRR)と呼ばれるTHz共振器との結合系において、電子系とTHz共振器系の超強結合を観測するとともに、同じ実験条件で外部からTHz電磁波を照射しなくてもコンダクタンスに変化が現れ、真空場揺らぎによると思われるコンダクタンス変化を観測することに成功した。

近年来，在有源层中使用量子点和单分子等超细纳米结构的新型晶体管的研究一直备受关注。特别是，单分子作为可以应用分子功能的器件而受到关注，并且分子振动和核自旋可能成为量子信息处理的新介质的可能性也正在被考虑。纳米结构中的量子能级和分子振动等基本激发的能量大致对应于太赫兹（THz）电磁波的光子能量，因此与太赫兹电磁波的相互作用的研究对于纳米量子结构的物理学具有重要意义。适合于阐明及其应用。特别是，已经发现，由于纳米间隙中的太赫兹电场大大增强，因此可以产生一种非常有趣的情况，其中极强的太赫兹交变电场与电子系统相互作用。可以说，太赫兹电磁波与超细纳米结构相互作用的研究刚刚进入一个新阶段。在此背景下，本研究的目的是进一步推动和深化当前新兴的原子尺度“太赫兹纳米科学”新领域，并探索其应用潜力。今年，我们特别测量了有源层为含有单个水分子的富勒烯分子（H2O@C60）的单分子晶体管电导的磁场依赖性，发现低磁场下库仑峰的电导我们发现出现了磁滞和裂变，并正在调查其起源。我们还成功测量了单个分子的电子自旋共振。此外，在半导体量子点或量子点接触与称为裂环谐振器（SRR）的太赫兹谐振器之间的耦合系统中，我们观察到电子系统与太赫兹谐振器系统之间的超强耦合，并且在相同的实验条件下，我们观察到外部太赫兹即使没有电磁波照射也会出现电导变化，并且我们成功地观察到了被认为是由真空场波动引起的电导变化。