阪大ら,自己形成量子ドットで単一電子の電荷を検出

大阪大学と東京大学は共同で,電子線描画による電極作製の精密な位置合わせを実現することで,ヒ化インジウム(InAs)自己形成量子ドットに出入りする単一電子の電荷検出に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

近年のIoTやCPS(サイバーフィジカルスペース)の発展などにより,新しい情報処理・情報通信技術が求められている。量子コンピューターや量子情報通信は重要な技術として,活発な研究開発が行なわれている。

半導体量子ドット中の電子スピンは,固体量子ビットの有力な候補であり,より高機能な量子ビットを探索するため,様々な種類の半導体量子ドットでの電子スピン制御や光子との量子状態の変換などの技術が研究されている。

InAs自己形成量子ドットは量子ドットレーザーとしてすでに応用されている。またこの研究で用いた表面に析出したInAs自己形成量子ドットは,直接,金属電極を取り付け単一電子トランジスタとして動作し,液体窒素温度以上の高温動作やバンドギャップが通信波長帯に近いことから,高温で動作する量子情報装置のための量子ビットとして期待されてきた。

一方で,現在の半導体量子ドットを使った電子スピン量子ビットの開発では,単一電子スピンを計測する電荷計が不可欠な技術として確立しているが,自己形成量子ドットではまだ実現されておらず,量子ビットとしての研究開発を阻んでいた。

研究グループは,基板表面にランダムに位置するInAs自己形成量子ドットの中から近接する2つのドットQD1,QD2に電極を取り付け,2つのドットが静電結合していることを利用して,QD1を電荷計として,もう一方のQD2を単一電子が出入りする挙動を測定する電荷検出に成功した。

この技術は自己形成量子ドットを使ったデバイスにおける電荷制御の有効なツールになりうるだけでなく,スピンの検出にも利用できるので,量子ドットの電子スピンを使った量子ビット開発では不可欠な技術だという。

研究グループでは今後,InAs自己形成量子ドットの量子ビットとしての研究が進展することで,量子情報装置の開発を促進することが期待されるとしている。

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