2024-11-08 東北大学
材料科学高等研究所/電気通信研究所 准教授 大塚朋廣
【発表のポイント】
- 酸化物半導体の酸化亜鉛を用いて、量子デバイスの基本構造である電界制御量子ドット（注1）を初めて形成し、その電気伝導特性を測定しました。
- 量子ドット内の電子数の偶奇によらない近藤効果（注2）を確認し、その特徴的な温度依存性、磁場依存性を観測しました。
- 酸化亜鉛は良好なスピン量子コヒーレンス（注3）や電子相関（注4）が強い等の特徴を持ち、量子コンピュータ（注5）の開発等に向けた新半導体材料として期待されます。
【概要】
これまで量子デバイスの基本構造である半導体量子ドットは主にガリウムヒ素やシリコンを材料として作られ、制御性の高い電界制御量子ドットが半導体量子コンピュータの開発等に向けて利用されてきました。一方、近年の技術革新によって、酸化亜鉛を用いて高品質なヘテロ構造の作製が可能となってきましたが、電界制御量子ドットはこれまで実現されていませんでした。酸化亜鉛は良好なスピン量子コヒーレンスのため量子ビット（注6）材料として期待でき、また電子相関が強い等の特徴を活かした新しい量子デバイスの開発につながる可能性があります。
東北大学大学院工学研究科の野呂康介大学院生（同大学電気通信研究所所属）と同大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の大塚朋廣准教授（同大学電気通信研究所兼任）、物質・材料研究機構ナノアーキテクトニクス材料研究センター（WPI-MANA）の小塚裕介グループリーダー、東京大学大学院工学系研究科の塚﨑敦教授（東北大学金属材料研究所兼任）と川﨑雅司教授（理化学研究所創発物性科学研究センターグループディレクター兼任）らは、酸化亜鉛ヘテロ構造を用いて電界制御型の量子ドットの形成に初めて成功し、その電気伝導特性を測定しました。また酸化亜鉛量子ドットで、量子多体効果の近藤効果が電子数の偶奇によらず発現する新現象を発見し、従来材料とは異なる特徴的な温度依存性、磁場依存性を示すことを観測しました。新材料の酸化亜鉛で電界制御量子ドットを実現できたことで、これを利用した新しい量子デバイスの開発が期待されます。
本研究成果は、2024年11月7日（現地時間午前10時）に科学誌Nature Communicationsにオンライン掲載されました。
図1. (a) 作製したデバイス構造。二次元電子ガスが(Mg, Zn)O/ZnOの界面に形成される。ゲート電極に電圧を印加することで量子ドットの閉じ込めポテンシャルを形成する。(b) 作製したデバイスの走査型電子顕微鏡写真。丸で示された部分に量子ドットが形成される。
【用語解説】
注1. 電界制御量子ドット
数十nmの微小な領域に電界制御によって電子を閉じ込めた構造。量子閉じ込め効果等により人工的に制御できる量子状態が形成されるため、量子コンピュータに向けた量子ビット等として利用できる。形状のみにより閉じ込める自己形成量子ドットに比べて制御性が高い。
注2. 近藤効果
局在スピン等の自由度と、多数の伝導電子が相互作用して生じる量子多体効果。量子ドット系では近藤状態の形成により特徴的な電気伝導が生じる。
注3. 量子コヒーレンス
良好な量子状態やその保持時間。良好な量子コヒーレンスは量子コンピュータ等に必須となる。
注4. 電子相関
電子間の相互作用。うまく活用すれば、離れた量子ビット間の量子操作など新しい量子技術の芽になると期待されている。
注5. 量子コンピュータ
量子状態を活用して情報処理を行うコンピュータ。従来のコンピュータでできない情報処理が可能になると期待されている。
注6. 量子ビット
量子状態を保持して演算を行うための素子。量子コンピュータの基本構成素子となる。
【論文情報】
タイトル：Parity-independent Kondo effect of correlated electrons in electrostatically defined ZnO quantum dots
(電界閉じ込め型酸化亜鉛量子ドットの形成と相関電子による近藤効果)
著者：Kosuke Noro, Yusuke Kozuka, Kazuma Matsumura, Takeshi Kumasaka, Yoshihiro Fujiwara, Atsushi Tsukazaki, Masashi Kawasaki and Tomohiro Otsuka*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所 准教授 大塚朋廣
掲載誌：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-53890-2
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
（兼）東北大学 電気通信研究所
（兼）東北大学 大学院工学研究科
（兼）東北大学 Tohoku Quantum Alliance (TQA)
（兼）東北大学 先端スピントロニクス研究開発センター
准教授 大塚 朋廣
（報道に関すること）
東北大学 材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
広報戦略室
