東大,テラヘルツと電子の強結合状態を高感度検出

東京大学の研究グループは,光と電子の両方の性質を持つハイブリッド結合状態を生成するとともに,その量子状態を量子ポイントコンタクトと呼ばれる電気的な狭窄構造を用いることで,電気的に読み出す技術を確立した(ニュースリリース)。

単一オンチップのテラヘルツ光共振器と GaAs(ヒ化ガリウム)半導体中の2次元電子系との間の超強結合状態の観測は,多数の光共振器を整列させ,その光透過率の平均値を測定する方法が主に用いられてきた。しかし,量子情報処理技術などへの応用を見据えると,単一の光共振器の量子状態を読み出す技術の確立が強く望まれていた。

研究グループは,スプリットリング共振器と呼ばれるテラヘルツ帯域に共鳴周波数を持つオンチップの光共振器と半導体ヘテロ構造中の電子を強く相互作用させ,光と電子の両方の性質を持つハイブリッド結合状態を生成するとともに,その量子状態を量子ポイントコンタクトと呼ばれる電気的な狭窄構造を用いることで,電気的に読み出す技術を確立した。

量子ポイントコンタクトを,スプリットリング共振器の隣に作製したサイドゲート電極とスプリットリング共振器の間に形成した。両者に負電圧を印加することで,サイドゲート電極とスプリットリング共振器との間に2次元電子に対して電気的な閉じ込め構造を作ることができる。

そこで,テラヘルツ電磁波を試料に照射し,量子ポイントコンタクトにおける電流変化(光電流)を入射周波数と印加磁場の大きさに関して測定した。

その結果,共振器と2次元電子のサイクロトロン共鳴とがエネルギー的に共鳴となる磁場領域において,外部から電磁波の照射を行なっていないにもかかわらず,量子ポイントコンタクトにおける電気伝導が顕著に変調される振る舞いが観測された。

現段階では,詳細なメカニズムは不明なものの,別の測定試料においても同様の信号が再現良く観測されており,この結果も共振器における真空電磁場揺らぎの増大に起因した電子輸送特性の変調を示唆する重要な結果の一つであると考えられるという。

テラヘルツ帯域は,量子ポイントコンタクトや量子ドットなどの半導体ナノ構造のエネルギースケールと一致する。特に,半導体量子ドットは,量子ビットを実装する固体量子系の有力な候補の一つとして,近年,加速度的に研究開発が進んでいる。

研究グループは今後,研究で実現した技術を応用することで,そのような半導体ナノ構造に局在する電子とスプリットリング共振器との強結合や超強結合状態を実現し,テラヘルツ帯域における量子情報通信技術や半導体量子ドットで構成される量子ビットの新しい制御技術への応用を目指すとしている。

その他関連ニュース

  • キーサイト,テラヘルツ帯の試験サービスを提供 2024年02月20日
  • NTTら,300GHz帯フェーズドアレイ送信機を開発 2024年02月19日
  • 理研,シリコン量子ビットの高精度読み出しを実現 2024年02月14日
  • 東大,電子とテラヘルツ電磁波の強結合状態を実現 2024年02月14日
  • 阪大ら,テラヘルツで世界最高の無線通信速度を達成 2024年02月01日
  • 岐阜大ら,遮蔽に強い自己修復ビームTHz無線を実証 2023年12月22日
  • 産総研ら,メタサーフェス反射板のTHz帯評価装置 2023年12月13日
  • 東大,量子コンピューター2種の時間発展を比較 2023年12月05日