室温でスピン閉鎖を実現~シリコントランジスタに“深い不純物”添加で量子機能~

2025-07-23 理化学研究所,産業技術総合研究所,東京電機大学

理研などの研究チームは、シリコンに硫黄と亜鉛の“深い不純物”を導入したトランジスタで、室温(約27℃)におけるスピン閉鎖現象を初めて観測しました。これは、量子コンピュータや磁場センサーに不可欠なスピン量子ビットの室温動作を可能にする画期的な成果です。単一の硫黄・亜鉛不純物を介したトンネル伝導を利用し、特徴的な磁場依存電流変化を確認。地磁気レベルの磁場検出も可能で、今後は量子ビット応用への展開が期待されます。

室温でスピン閉鎖を実現~シリコントランジスタに“深い不純物”添加で量子機能~
硫黄不純物および亜鉛不純物を添加したトランジスタと不純物を介したトンネル伝導の模式図

<関連情報>

シリコン中の個々の深部不純物を通る二重量子ドットトンネル効果における室温でのパウリスピンブロック Pauli spin blockade at room temperature in double-quantum-dot tunneling through individual deep dopants in silicon

Yoshisuke Ban,Kimihiko Kato,Shota Iizuka,Hiroshi Oka,Shigenori Murakami,Koji Ishibashi,Satoshi Moriyama,Takahiro Mori & Keiji Ono
Communications Physics  Published:23 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-025-02177-z

Abstract

Pauli spin blockade (PSB) is a spin-dependent charge transport process that typically appears in double quantum dot (QD) devices and is employed in fundamental research on single spins in nanostructures to read out semiconductor qubits. The operating temperature of PSB is limited by that of the QDs and remains below 10 K, limiting wide application development. Herein, we confirm that a single deep dopant in the channel of a silicon field effect transistor functions as a room-temperature QD; consequently, transport through two different deep dopants exhibits PSB up to room temperature. The characteristic magnetoconductance provides a means to identify PSB and enables the PSB device to function as a magnetic sensor with a sensitivity below geomagnetic field. Lifting in PSB caused by magnetic resonance (50 K) and Rabi oscillations (10 K) are also observed. Further development of this unique system may lead to room-temperature quantum technologies based on silicon technology.

0403電子応用
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