NTT物性科学基礎研究所

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2016年04月12日

量子ドットとメカニカル振動子のハイブリッド素子の作製に成功

~ 量子限界に至る極限計測技術をめざして ~

NTT物性科学基礎研究所は、高感度センサや高精度発振器に広く用いられているメカニカル振動子と量子ドットを結合した新しい半導体素子を作製し、量子効果を用いた超高感度の計測手法を実証しました。
今回得られた成果は、力や磁気などの極限計測技術を量子限界にまで向上させる新しい手法として、英国科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」電子版(英国時間 4月11日付)に掲載されました。
なお、本研究の一部は独立行政法人日本学術振興会(東京都千代田区、理事長:安西祐一郎)科学研究費補助金 新学術領域研究『ハイブリッド量子科学』 (領域代表 : 東北大学大学院理学研究科教授 平山祥郎)の一環として行われました。

ニュースリリース
複合ナノ構造物理研究グループ

背景

鉄琴の板や鐘など、決まった周波数で振動が続く人工構造はメカニカル振動子*1と呼ばれます。昨今ではナノテクノロジーの進展により微細化や集積化が進み、MEMS (Micro-electromechanical Systems) *2 振動子として形を変え、センサや発振素子などの微小素子として広く用いられています。このメカニカル振動子の振動を高感度に検出する手法は、重力波検出をはじめとした様々な極限実験における重要な要素技術であり、レーザ干渉計や超伝導素子などを用いた種々の方法が開拓されてきました。一方、NTTでは、これまで培ってきた半導体素子技術の新しい応用として、MEMSや、さらにそれを微細化したNEMS (Nano-electromechanical Systems)の研究を進めてきました。半導体MEMS/NEMSは集積化や多重化に優れたプラットフォームであり、光・電子デバイスとのハイブリッド化により、これまでとは全く異なる機能を持つ集積回路の実現が期待されています。特にメカニカル振動子と量子ドットに代表される半導体量子ナノ構造の融合は、量子効果を用いた超高感度の計測手法などへの応用が期待されています。

成果の概要

今回、振動が引き起こす「歪」に対して敏感に特性が変化する量子ドット*3をメカニカル振動子に組み込んだ新構造の半導体ハイブリッド素子を試作し、量子ドットの抵抗値の変化より、振動子の微細な動きを高感度に検出することに成功しました。この結果は、半導体チップに集積可能な分子や磁気センサの感度や機能を極限にまで高める可能性を有する手法として、今後の発展が期待されます。また、メカニカル振動子の振動特性が、量子ドット中の電子状態により大きく変化することも観測されました。特に、量子ドットにより振動の増幅(Q値の向上)が見られた結果は世界で初めてで、電流によるメカニカル振動の増幅作用を実証したことに相当します。 

今回実現した素子の概要

研究チームが結合動作の実現に成功したメカニカル振動子の心臓部は、長さ50μm(ミクロン:1ミクロンは100万分の1メートル)、幅6μm、厚さ1μmの小さな板バネです(図1)。このメカニカル振動子は極めて軽量であるため、熱エネルギーによるランダムな振動(熱振動*4)が発生します。今回、量子ドットをメカニカル振動子に組み込むことにより、100 mKという著しく低い温度における熱振動を検出することに成功しました(図2)。この時の最小検出変位は63 fm/Hz0.5 で、水素原子の直径の1000分の1以下という極めて小さいものです。また、量子ドットに閉じ込められた電子の状態によって振動子の共振特性が大きく変化し、Q値の増減、すなわち電流による振動の増幅や減衰が生ずることも明らかにしました(図3)。

技術のポイント

  1. 量子ドットにおける圧電効果*5の活用
    作製に用いた半導体構造が有する圧電効果を活用し、メカニカル振動子の動きを量子ドットに高効率に伝えることが可能になりました。これにより、振動子の動きを量子ドットの電気抵抗の変化として高感度に検出することに成功しました。
  2. 量子ドットが引き起こす反作用の利用
    同じ効果を用い、量子ドットにおける電子の動きを反作用としてメカニカル振動子に伝えることにも成功しました。すなわち、振動子の動きを煽る(抑える)反作用により振動の増幅(減衰)効果が確認できました。

今後の展開

今回得られた振動の検出感度は、量子限界*6の約70倍にまで迫るものです。この検出感度を決めている要因は、素子の出力を測定する外部増幅器における雑音です。今後はこの特性改善ならびに素子構造の最適化を行うことにより、量子限界に至る超高感度計測技術の確立をめざします。また、量子ドットによる振動の増幅効果は、その効率を上げることにより電気的にメカニカル振動を生成できる可能性を意味します。この効果を実証し、電流印加フォノンレーザ*7や、単一フォノン発生器などへの応用をめざします。 

論文情報

Yuma Okazaki, Imran Mahboob, Koji Onomitsu, Satoshi Sasaki, Hiroshi Yamaguchi
"Gate-controlled electromechanical backaction induced by a quantum dot"
Nature Communications (2016).

用語解説

※1 ... メカニカル振動子(機械振動子)
弾性変形を周期的に繰り返すことにより機械的な振動が継続する人工構造。鐘や鉄琴など楽器の振動板もメカニカル振動子の一種です。最近では微細加工技術の発展にともない、髪の毛よりも小さな機械振動子を半導体チップに集積することも可能になっており、MEMS振動子として実用化が進められています。メカニカル振動子の最も代表的な形状のひとつは本研究でも用いられている両持ち梁と呼ばれるもので、橋や鉄琴の振動板に類似した形状をしています。

※2 ... MEMS(Microelectromechanical Systems)
半導体集積回路を作製する微細加工技術を応用し、数ミリメートルから数ミクロンのサイズの機械構造をチップ上に集積し、電気的な機能によりその動作を制御する技術。本研究では圧電効果により歪(応力)と電気信号を変換し、動作制御を実現しています。微細化をさらに進めたNEMS(Nanoelectromechanical Systems) も、最近盛んに研究されています。

※3 ... 量子ドット
電子を1ミクロン以下の小さな領域に閉じ込めることにより、量子力学的な波としての性質を示すようにした人工構造。本成果では、半導体の上に形成した電極に負の電圧をかけることにより、その下に存在する電子を消失させ、電極がない小さな領域に量子ドットを形成しています(図1(b))。量子ドットにおいては、わずか数個の電子のみが電気伝導に関与し、その量子力学的な性質が抵抗値に影響を与えます。

※4 ... 熱振動
通常の温度におけるすべての原子は、熱によりランダムな運動を行っています。メカニカル振動子を構成している原子においても同様で、これらの原子の運動によって振動子自体もランダムな力を受け、目には見えない小さな振動を常に行っています。振動検出感度を評価する上で、この熱振動が測定できるかどうかが重要な目安として使われています。

※5 ... 圧電効果
物体に電圧を加えると、膨張したり収縮したりする現象のことを圧電効果と呼びます。この膨張・収縮により物体に作用する力を電気的に引き起こすことが可能です。また、逆の効果を用いることにより、振動を電気的に検出することも可能です。今回実現した素子では、圧電効果を用いることにより、振動により発生した歪から内部電場を生成し、量子ドットによる振動検出を実現しました。

※6 ... 量子限界
ミクロの世界における基本法則である量子力学によると、メカニカル振動のエネルギーには最小値があり、その値はhf/2で与えられます。ここでhはプランク定数(6.63×10-34 ジュール・秒)、fは振動の周波数(1.66メガヘルツ)で、この最小エネルギーで振動している振動子の振幅を量子限界(より正確には標準量子限界)と呼びます。本実験では量子限界のわずか70倍という、極めて高い検出感度が得られました。

※7 ... フォノン/フォノンレーザ
メカニカル振動には、量子力学的な最小単位、すなわち振動の「粒」が存在します。この事情は、光の粒がフォトン(光子)であることに類似しています。単色性の高い光を作り出す装置はレーザ(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)と呼ばれますが、フォノンに対する類似した装置はSASER(Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation)、あるいはフォノンレーザと呼ばれます。フォノンレーザは小型で高周波かつ高精度の振動子などへの応用につながるものと期待されています。