京大ら，光電流の計測によりスピンの読み出しを実現

京都大学，量子科学技術研究開発機構（QST），電力中央研究所は，4H型炭化ケイ素（SiC）結晶中の原子の抜け穴に存在する一つの電子スピンの情報を，光照射により発生する光電流の計測（PDMR法）によって，室温下で電気的に読み出すことに成功した（ニュースリリース）。

固体結晶の原子配列における不純物や抜け穴・位置ずれなどの原子レベルの欠陥は，その構造に応じて様々な特性を発現する。その中でも，室温で操作可能な電子スピンを有し，電子スピン状態の初期化・読み出しが可能な欠陥は，量子情報・量子通信・量子センサなどの量子技術分野への応用が期待されている。

このような欠陥は，蛍光の強さを計測する手法（ODMR法）によってスピン情報の読み出しが行なわれてきたが，大規模な光検出系を必要とせず小型・集積化が可能なスピン読み出し技術として，電気的な読み出し技術が重要となっている。

ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心やSiC中のシリコン空孔は，光照射によって発生する光電流の計測を用いたスピン状態の検出（PDMR法）が実証され，量子素子候補として注目されていた。理論的には，PDMR法では従来のODMR法と比べてスピン状態の読み出しにおける信号対雑音比（SNR）が高くなると予想されていた。しかし，実験的にはPDMR法のSNRはODMR法には及んでおらず，単一レベルでのシリコン空孔電子スピンの読み出しが困難となっていた。

研究グループは，電力中央研究所が作製した高純度SiCに対し，QSTが電子線照射と熱処理を施し，識別可能な単一Si空孔を作製した。その試料に電極とアンテナを備えたPDMR（Photocurrent Detection of Magnetic Resonance）デバイスを構築し，リーク電流を抑制する設計により高効率な電流検出を実現した。また，光電流信号からシリコン空孔の動的挙動を解析し，効率的なスピン読み出しに有効なレーザーパルス構成を開発した。

具体的には，高パワー短時間＋低パワー長時間の二段階レーザーパルスにより，背景電流を従来の1/10まで低減し，信号対雑音比（SNR）を2.3倍に向上した。これにより，スピン状態のコヒーレント読み出し，すなわち量子状態を保持したままの観測に成功した。さらに，核スピンとの結合を示すRamsey干渉の観測にも成功し，量子センシング応用への有効性を確認した。

研究グループは，これにより，室温動作が可能な集積SiC量子デバイスの実現が期待されるとしている。