宮本聡1,2 西口克彦1 小野行徳1 伊藤公平2 藤原聡1
1量子電子物性研究部 2慶応大学
電子1個1個の操作が可能な単電子転送デバイスは、電流標準や低消費電力回路への応用が期待されている。一方、比較的温度の高い条件では、古典的なブラウン粒子としての電子のダイナミクスを調べるのに適した系となっている。本研究では、時間に対して振動するポテンシャル障壁を越える粒子が示す共鳴活性化現象[1]に着目し、単電子系での観測を行った。共鳴活性化は、障壁の振動周期と粒子の平均脱出時間のオーダーが一致するときに起こると理論的に予測されているが、トンネルダイオードの双安定状態などマクロスピックな系での観測に限られていた。
測定デバイスは、シリコンナノ細線と微細ゲートで構成される単電子転送デバイスである。図1(a)にデバイスの電子顕微鏡像、図1(b)に転送動作のポテンシャル模式図を示す。ソース側の微細ゲートにクロック信号を入力して転送を行う単電子ラチェット[2]の手法を採用し、ソースからクーロン島へ単電子を捕獲し、ドレイン側へ放出する。その際、適切なゲート電圧条件を選ぶことにより、放出過程において図1(c)のように熱活性化が支配的となる状況を得ることができる。さらに、障壁を形成するゲートにrf信号Arf（周波数frf）を導入し、障壁に変調Umを与える。単電子転送の測定は、温度16 K、クロック周波数fRC=16.6 MHzで行った。単電子放出過程における平均脱出時間τavgは、転送電流の電子放出時間tG1L（転送クロックがlowレベルである時間）依存性を解析することにより見積もった。図2にτavgのfrf依存性を示す。ゲート電圧VG1Lを調節しτavgのオーダーを変化させているが、いずれの場合もτavgは1/τavg付近の周波数で共鳴的減少を示し、その共鳴周波数fRESはτavgが短いほど、高周波数側にシフトしている。これらの振舞いは、障壁に与えられた周期的変調と単電子の確率的な脱出過程の同期により事象発生確率が増大する共鳴活性化現象として理解することができる[3]。
[1] C. R. Doering and J. C. Gadoua, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 2318.
[2] A. Fujiwara, K. Nishiguchi, and Y. Ono, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 042102.
[3] S. Miyamoto et al., Phys. Rev. B 82 (2010) 033303.
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