新奇マヨラナ粒子発見に向けたInSb量子ポイントコンタクトの伝導特性研究

研究InSb量子点接触的传导特性以发现新型马约拉纳粒子

• 批准号: 19J10635
• 负责人: 増田 貴史
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J10635/
• 关键词: メゾスコピック系; 量子ポイントコンタクト; 量子細線; スピン軌道相互作用; 半導体物性

本研究ではInSbトレンチゲート量子ポイントコンタクトを作製し、電気伝導に対するスピン軌道相互作用の影響を調べた。また超伝導薄膜電極を持つ量子ポイントコンタクト試料の作製を試みた。本年度は、InSbトレンチゲート量子ポイントコンタクトの中央にセンターゲートを付加することにより、電気伝導特性のゲート制御性改善を行った。また試料のセンターゲートに電圧を印加することによるラシュバのスピン軌道相互作用変調を試みた。ゼロ磁場における電子スピンの分裂を観測し、スピン軌道相互作用がセンターゲート電圧によって変調されることを確認した。マヨラナ粒子の検出実験を行うためには、前提としてラシュバのスピン軌道相互作用の大きさを変調させることのできる擬一次元半導体デバイスが必要となる。本研究では原子層堆積(ALD)法によりInSbトレンチゲート量子ポイントコンタクト試料の表面に酸化アルミニウム薄膜を堆積し、その上から金属製センターゲートを取り付けるという手法でゲートを付加した。狭ギャップ半導体であるInSbにおいては絶縁性・制御性の優れたゲートの作製が課題であり、トレンチゲートとセンターゲートの組み合わせによりゲート制御性を改善することに成功した。またセンターゲート電圧を制御することでラシュバのスピン軌道相互作用を変調することが可能であり、電気伝導測定によって電子スピンの分裂を観測することでその効果を確かめた。トレンチゲートと金属ゲートの組み合わせは量子ポイントコンタクト構造のみならず他の低次元半導体構造にも応用でき、トップダウン法によるInSbナノデバイス作製研究についても貢献した。

在这项研究中，我们制造了 InSb 沟槽栅极量子点接触，并研究了自旋轨道相互作用对导电的影响。我们还尝试制造具有超导薄膜电极的量子点接触样品。今年，我们通过在InSb沟槽栅极量子点接触的中心添加中心栅极，提高了栅极的导电性能可控性。我们还尝试通过向样品的中心栅极施加电压来调制拉什巴的自旋轨道相互作用。我们观察到零磁场中电子自旋的分裂，并证实自旋轨道相互作用是由中心栅极电压调制的。为了进行马约拉纳粒子探测实验，需要一种能够调节拉什巴自旋轨道相互作用大小的准一维半导体器件。在这项研究中，通过使用原子层沉积 (ALD) 在 InSb 沟槽栅极量子点接触样品的表面上沉积氧化铝薄膜，然后在其顶部附加金属中心栅极来添加栅极。对于窄带隙半导体InSb来说，挑战在于制造具有优异绝缘性和可控性的栅极，我们通过组合沟槽栅极和中心栅极成功地提高了栅极可控性。此外，通过控制中心栅极电压，可以调节 Rashba 自旋轨道相互作用，并且我们通过使用电导测量观察电子自旋分裂证实了这种效应。沟槽栅和金属栅的组合不仅可以应用于量子点接触结构，还可以应用于其他低维半导体结构，并且也为采用自上而下方法制造InSb纳米器件的研究做出了贡献。

项目成果

オクラホマ大学(米国)

俄克拉荷马大学（美国）

Transport Characteristics of InSb In-Plane Trench Gate Quantum Point Contact Devices with Metal Center Gate

金属中心栅InSb面内沟槽栅量子点接触器件的输运特性

• 发表时间: 2019
• 作者: T. Masuda;K. Nagase;K. S. Wickramasinghe;T. D. Mishima;M. B. Santos;M. Kohda;J. Nitta;and Y. Hirayama
• 通讯作者: and Y. Hirayama

量子伝導物性研究室

量子电导实验室