量子電子デバイス研究チーム

主宰者

主宰者名

山本倫久 Michihisa Yamamoto

学位

博士（理学）

役職

チームリーダー

略歴

2004	東京大学大学院理学系研究科物理学専攻博士課程修了（理学）
2004	東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻助手
2007	同助教
2014	同講師
2017	東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター特任准教授
2017	理化学研究所創発物性科学研究センター統合物性科学研究プログラム量子電子デバイス研究ユニットユニットリーダー
2020	同量子電子デバイス研究チームチームリーダー（現職）

研究室概要

当チームでは、固体中の量子自由度の制御と伝送の技術に基づいた量子電子デバイスの創製に取り組む。具体的には、半導体微細構造中を伝搬する電子の量子状態を１電子単位で制御する量子電子光学実験や原子層物質における新たな量子自由度の伝送・制御の実験によって量子コヒーレンスの広がりや量子相関、量子変換の物理を解明し、それに基づいた量子デバイスの指導原理を開発する。同時に、高度な量子技術を用いて物性科学の問題をミクロな視点から解き明かし、量子技術と物性科学を融合させた新しいフロンティアを切り拓く。

研究分野

物理学、工学

キーワード

2次元電子系
単一電子制御
ナノデバイス
量子コヒーレンス
量子相関

研究紹介

近藤遮蔽雲の観測と制御

局在スピンと伝導電子との間の相互作用によって生じる近藤効果は、超伝導と並んで最も典型的な電子間相互作用効果として知られる。近藤効果が起きているとき、局在スピンと結合する伝導電子が雲のように広がって局在スピンを遮蔽することから、その状態は「近藤雲」とも呼ばれる。近藤雲の大きさは、複数の局在スピンを持つ多くの物質の性質を決める重要なパラメータである。

本研究では、半導体の人工原子に局在スピンを閉じ込め、これが周囲の伝導電子と相互作用することで形成される近藤雲を電子の波の干渉計に埋め込んだ。この独自の実験系を用いて近藤雲を観察した結果、近藤雲が、局在スピンと伝導電子の間の量子力学的なスピン結合の強さを表す「近藤温度」の逆数に比例するサイズと普遍的な形状を有することを世界で初めて明らかにした。最近では、長距離のスピン相関状態を人工的に制御できることもわかってきた。

本研究成果は、局在スピンが複数存在する電子間相互作用が強い物理系の理解の進展や、長距離スピン結合をベースにした新しい量子情報処理技術の開発に貢献すると期待できる。現在、複数の近藤雲が重なった場合について、更なる研究を進めている。

近藤雲の検出実験に用いられた試料の模式図と近藤雲の形状。量子ポイントコンタクトのゲート電圧（V_QPC）による近藤雲の変調具合を定量化することによって近藤雲の形状を得た。
Figure taken from Nature 579, 210 (2020).

電子波の量子制御と散乱位相測定

量子力学の原理に従う量子デバイスでは、波動関数の振幅の２乗で表される電荷の確率密度に加え、波動関数の位相が重要な役割を果たす。電子波の位相変化を精密に制御、観測する技術は、量子デバイスの開発に有効なだけでなく、これまで検証が難しかった固体中の量子力学的な効果を微視的に解明する際にも有用である。我々は、伝搬する電子の量子状態（電子波）を精密に制御できる量子電子光学実験を利用して、電子波の人工原子による散乱問題を明らかにしてきた。

最近は、電子波の量子制御技術を量子情報処理に応用する試みを進めている。電子波をベースとして、オンデマンドで生成される準粒子の非局在量子ビットを制御できると、光の量子システムと同様に、ハードウェアサイズに制限されずに多数の量子ビットを同時に制御できる可能性がある。これを実現し、半導体量子ビットのアーキテクチャーを質的に一新させることを将来目標としている。

(a) 人工原子の位相測定に使用された試料の電子顕微鏡写真と測定模式図。Aharonov-Bohmリングにおける上下の経路の位相差に応じて出力電流I₁、I₂が逆位相で振動する。(b) 測定された電流（I =I₁ – I₂）の干渉成分から抽出した位相変化（上）及び干渉強度と全コンダクタンス（下）。量子ドット内の軌道のパリティに応じて、電流値が極大値を取るクーロンピークの間で位相が跳ぶ場合と跳ばない場合がある。
Figure (b) taken from Nature Communications 8, 1710 (2017).

メンバー一覧

山本倫久 Michihisa Yamamoto	チームリーダー	michihisa.yamamoto[at]riken.jp
島﨑佑也 Yuya Shimazaki	研究員
Han Ngoc Tu	特別研究員
David Pomaranski	客員研究員

主要論文

M. Tanaka, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Nomura, S. Tarucha, and M. Yamamoto

Temperature-induced phase transitions in the correlated quantum Hall state of bilayer graphene

Phys. Rev. B 105, 075427 (2022)
R. Ito, S. Takada, A. Ludwig, A. D. Wieck, S. Tarucha, and M. Yamamoto

Coherent beam splitting of flying electrons driven by a surface acoustic wave

Phys. Rev. Lett. 126, 070501 (2021)
M. Tanaka, Y. Shimazaki, I. V. Borzenets, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. Tarucha, and M. Yamamoto

Charge Neutral Current Generation in a Spontaneous Quantum Hall Antiferromagnet

Phys. Rev. Lett. 126, 016801 (2021)
I. Borzenets, J. Shim, J. C. H. Chen, A. Ludwig, A. D. Wieck, S. Tarucha, H. S. Sim, and M. Yamamoto

Observation of the Kondo screening cloud

Nature 579, 210 (2020)
Y. Shimazaki, M. Yamamoto, I. V. Borzenets, K. Watanabe, T. Taniguchi, and S. Tarucha

Generation and detection of pure valley current by electrically induced Berry curvature in bilayer graphene

Nat. Phys. 11, 1032 (2015)

主宰者