研究内容 Research

単電子素子・量子ドット

SINIS ターンスタイルを用いた電流標準の研究
現在の電流（アンペア 記号:A）の定義は「電気素量 e を単位 C（A s に等しい）で表したときに、その数値を 1.602 176 634×10−19 と定めることによって定義される。」とされています。

ここから、電流は「一秒間あたりにある面を通過する電子の数」ということができます。逆に言えば一秒間に移動する電子の数を精確に制御できれば定義に基づいた精確な電流標準を作ることができます。近年多くのグループによって新しい手法で電子を一粒一粒輸送し精確な電流を生成する実験結果が報告され注目を集めています。我々のグループは超伝導と常伝導体を用いた単電子素子を微細加工によって作製し、その並列駆動によって電流値を逓倍することに成功しました。またＳＩＮＩＳターンスタイルの単電子操作の温度依存性について調べました。

"Temperature dependence of Single-Electron Pumping using a SINIS Turnstile"
S. Nakamura, Yu. A. Pashkin, J-S. Tsai and N-H Kaneko, Physica C 504, 93 (2014)

"Single-electron pumping by parallel SINIS turnstile for quantum current standard"
S.Nakamura, Yu. A. Pahkin, J-S Tsai and N-H Kaneko,　IEEE Instrumentation and Measurement 64, 1969 (2015)

"A review of Quantum Current Standards"
N.H.Kaneko, S.Nakamura, Y. Okazaki, Review of Measurement Science and Technology 27, 032001 (2016)

超伝導・常伝導接合における逆近接効果と磁場の競合
超伝導、常伝導接合においては、超伝導体中のオーダーパラメータが常伝導の影響を受けることが知られています。我々は、超伝導・常伝導接合を用いた単電子素子において、この逆近接効果が超伝導体中の準粒子拡散を阻害すること、また磁場の印加によりこの準粒子拡散の阻害を抑制できることを実験・理論によって示しました。

"Interplay of the inverse proximity effect and magnetic field in out-of-equilibrium single-electron devices" Shuji Nakamura, Yuri A. Pashkin, Mathieu Taupin, Ville F. Maisi, Ivan M. Khaymovich, Alexander S. Mel’nikov, Joonas T. Peltonen, Jukka P. Pekola, Yuma Okazaki, Satoshi Kashiwaya, Shiro Kawabata, Andrey S. Vasenko, Jaw-Shen Tsai, and Nobu-hisa Kaneko arxiv:1612.04116 Phys. Rev. Applied 7, 054021

超伝導量子干渉計を用いた電流増幅
量子ドットや量子ポイントコンタクト、単電子トランジスタなどのメゾスコピックな系の輸送特性を調べるためには、これら素子を流れる電流を精密に測定することが求められます。我々は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いることで希釈冷凍機Mixing chamber温度で動作し、ノイズフロアが8×10＾－27　Ａ＾２／Ｈｚ程度の電流アンプの動作に成功しました。これは半導体ベースの電流アンプに比べてノイズフロア、消費電力ともに大きなアドバンテージを持ちます。

"Low-noise and wide-bandwidth current read out at low temperarutes using a Sperconducting-quantum-interference device amplifier" Ngoc Thanh Mai Tran, Yuma Okazaki, Shuji Nakamura, Massimo Ortolan and Nobu-Hisa Kaneko Jpn. J. Appl. Phys. 56 04CK10

単電子ポンプの実時間測定とフィードバック
近年、半導体量子ドットを用いた量子ビットの研究の進展とともにマイクロ波を用いて高速に量子ドット中の電荷状態を読み出すことが可能となっています。我々は、このマイクロ波を用いた電荷状態読み出しを用いた単電子ポンプの実時間測定を目指し研究を行っています。またこのマイクロ波を用いた電荷状態読み出しと任意波形発生、ＦＰＧＡを用いた高速信号処理を組み合わせることで単電子ポンプエラーの改善や単電子素子のフィードバック制御が可能となります。これらの研究を発展させることで量子電流標準の実現やメゾスコピックなデバイスを用いた熱力学実験を行うことを目指しています。

単電子ポンプを用いた量子ＡＤ変換

量子ホール・グラフェン・トポロジカル絶縁体

集積量子ホール素子の開発
低抵抗や高抵抗の標準は、量子ホール素子から100ΩのHamon抵抗器の校正を行い、そこからHamon変換やDCCを用いて供給範囲を広げています。このため低抵抗領域や高抵抗領域では不確かさが増大してしまいます。そこでフランスBNM－LNEのグループを中心として集積量子ホール素子が提案されました。これは複数の量子ホール抵抗素子を直並列に組み合わせることで任意の量子化抵抗値を得ようという試みです。我々のグループでも集積量子ホール素子を開発し、直流抵抗標準の不確かさ低減を目指し研究を行っています。

“Development of 1 MΩ Quantum Hall Array ”,T. Oe, K. Matsuhiro, T. Itatani, S. Gorwadkar, and N. Kaneko,　
IEEE Trans. Inst. Meas. 66 (5) (2017)

超高性能小型標準抵抗器の開発
従来、標準抵抗器は大型で衝撃や環境変化に弱く、標準室および器物の管理にコストがかかっていました。また校正時の運搬にはハンドキャリーまたは大型のトランクが必須でした。このため環境変化にロバストで、安定な標準の容易な維持を可能にし、精密計測器に実装可能な小型の標準抵抗器の開発が国内外より望まれていました。我々のグループでは企業と共同で多くの問題を克服し、従来型より１０倍程度以上安定（温度係数、経年変化等）で、サイズも１／２０以下である製品を開発しました。環境変化にロバストであるため、標準の維持がより容易になると同時に高度化できます。

安定な標準抵抗器開発に向けたマンガン窒化物の物性測定
アンチペロブスカイト構造を持つＭｎ３ＡｇＮは室温付近で電気伝導度が幅広いピークを持ち、温度変化に対して安定な標準抵抗器の材料として注目されています。我々は、この物質のＡｇやＭｎをＩｎやＦｅに置換することにより抵抗値や温度変化のピーク位置を制御できることを示しました。

"Standard-resistor compounds with adjustable operating temperature"
T. Oe, C. Urano, N. Kaneko, M. Hadano, and K. Takenaka
Applied Physics Letter 103, 173518 (2013).

光化学ゲーティングを用いたグラフェン量子ホール素子のフェルミ面の制御
グラフェンは、炭素一層がハニカム構造を取りながら二次元状に広がった系です。このグラフェンは電子移動度が室温付近でシリコンなどと比べても高いことや、その特異な電子状態（ディラックフェルミオン）で注目を集めています。我々のグループでは、このグラフェンを用いた量子ホール効果の研究とその標準への応用をめざし研究を行い、光化学的な手法を用いてグラフェンの電子密度を操作する手法に成功しました。

“Controlling the Fermi Level in a Single-Layer Graphene QHE Device for Resistance Standard”
Y. Fukuyama, R. E. Elmquist, LI Huang, Y. Yang, FH Liu, and N. Kaneko
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 64, 1451 (2015)

トポロジカル絶縁体における量子ホール効果のユニバーサリティ検証
近年、トポロジカル絶縁体に注目が集まっています。トポロジカル絶縁体では、バルクの伝導は絶縁体的である一方、その表面にはギャップレスな金属的な状態が形成されています。我々はこの「トポロジカル絶縁体表面の二次元状態における量子ホール効果」が「半導体ヘテロ構造において形成される量子ホール効果」と本質的に同一であるかを実験的に検証するための研究を行っています。

"Preparation and characterization of Sn-BSTS topological insulator for universality test of the quantum Hall effect"
Tetsuro Misawa, Yasuhiro Fukuyama, Yuma Okazaki, Shuji Nakamura, Nariaki Nasaka,Takao Sasagawa, and Nobu-Hisa Kaneko

ジョセフソン効果・量子化電圧

ジョセフソン効果を用いた量子化電圧生成技術を用いて、精確な電圧生成・測定を行う技術の開発を行っています。希釈冷凍機中にジョセフソン電圧標準素子を実装し、低温環境下における校正不要な基準電圧源を実現しました。この技術と磁気遮蔽技術を組み合わせることによって、極低温・強磁場環境下で量子効果を用いた精密な電圧計測・生成技術を利用することを目指しています。

"Stable Voltage Generation With a Josephson Voltage Standard Device Cooled at a 4 K Stage in a Dilution Refrigerator", D. Matsumaru, S. Nakamura, M. Maruyama, and N. -H. Kaneko, IEEE Trans. Instrum. Meas., 72, 1004706 (2023).

量子メトロロジートライアングル

オームの法則を介した三つの独立した量子現象の検証実験を“量子メトロロジートライアングル”といいます。ジョセフソン効果・量子ホール効果という現象を用いて量子化電圧・量子化抵抗をそれぞれ発生させ、単電子ポンプと呼ばれる手法によって量子化電流を発生させることで3つの物理量を独立に求め、オームの法則の構成要素となる3つの量子現象の整合性を検証します。実際には、量子ホール効果抵抗素子に単電子ポンプからの電流を流して生成した電圧とジョセフソン効果によって生成した電圧の比較測定を行います。

"A review of Quantum Current Standards", N.H.Kaneko, S.Nakamura, Y. Okazaki, Review of Measurement Science and Technology 27, 032001 (2016)

"Review of Quantum Electrical Standards and Benefits and Effects of the Implementation of the 'Revised SI'", N.-H. Kaneko, Invited Paper, IEEJ Trans. 12 (2017), pp.627-637