ナノ材料による電子デバイス、量子電子デバイス
超微細超伝導ナノワイヤーデバイス
超伝導材料は、送電ケーブルや電磁石といった大型装置だけではなく、ミリ～マイクロメートルオーダーの磁気・電子・光デバイスでも広く用いられています。また、超伝導特性自体がマクロなサイズの量子現象に由来するものであることから、マイクロメートルといった比較的大きなデバイスサイズでも量子現象が発現するため、量子コンピュータなどの次世代量子デバイスにおいても超伝導は主役となっています。一方、超伝導体をさらに微細化してナノメートルオーダーとした場合、これまでのマクロな超伝導体では知られていない新しい超伝導の量子現象が現れることが近年明らかとなっており、超伝導物性の新しい物理現象の観測や、量子ビットといった量子デバイス開発が注目されています。しかし、多くの超伝導材料は、微細化が進む半導体材料と比べて微細加工が難しく、微小な超伝導体を用いたデバイスの実現を阻む原因となっています。牧研究室では、カーボンナノチューブをテンプレートとして、世界最小クラスの10ナノメートルオーダーの超極細超伝導ナノワイヤーの作製に成功しました。さらに、この超伝導ナノワイヤーをデバイス化したところ、低温にするほど超伝導状態が壊れる現象(超伝導-絶縁体転移)や磁束がナノワイヤーをトンネルする現象(量子位相スリップ)など、特異な超伝導現象の観測に成功しました。この研究で、超伝導デバイスで実用化されている窒化ニオブ超伝導体でナノワイヤーの作製に成功したことや、シリコンチップ上で電子デバイス化にも成功していることから、新たな超伝導量子デバイス応用が期待されます。また、量子・熱位相スリップ現象に関して、マイクロ波や長さ制御により精密な位相スリップ発現制御に成功しました。マイクロ波の照射により、位相スリップが発現する場所（位相スリップ中心）の個数を一つずつ精密に制御することに成功しました。また、ナノワイヤーの長さを制御することで、位相スリップ中心の個数も制御できるとともに、短尺ナノワイヤーでは、反近接効果の増大によって量子・熱位相スリップの明瞭なクロスオーバーを観測しました。この成果は、今後、超伝導ナノワイヤーを用いた新たな超伝導量子物性探索や量子デバイス開発に応用が可能です。この成果は、Springer Nature社のScientific Reports誌に掲載されました。
論文：
- “Manipulation of phase slips in carbon-nanotube-templated niobium-nitride superconducting nanowires under microwave radiation”
(マイクロ波照射による、カーボンナノチューブをテンプレートとした窒化ニオブ超伝導ナノワイヤでの位相スリップの制御)
Kota Kato, Tasuku Takagi, Takasumi Tanabe, Satoshi Moriyama, Yoshifumi Morita & Hideyuki Maki, Sci. Rep. 10, 14278 (2020).
- “Thermal and Quantum Phase Slips in Niobium-Nitride Nanowires Based on Suspended Carbon Nanotubes”
(架橋カーボンナノチューブを基板とした窒化ニオブナノワイヤと熱・量子位相スリップ)
K. Masuda, S. Moriyama, Y. Morita, K. Komatsu, T. Takagi, T. Hashimoto, N. Miki, T. Tanabe, and H. Maki, Appl. Phys. Lett. 108, 222601 (2016).
CNT量子ドットデバイス
カーボンナノチューブは、1nm程度の直径を持つ一次元物質であることから、一次元導体や量子ドットなどの量子輸送特性が注目されています。カーボンナノチューブ量子ドットは、カーボンナノチューブに電極を形成することによりトンネルバリアが形成されことから、低温において量子ドットとして振舞います。本研究室では、カーボンナノチューブ量子ドットを用いて、クーロンブロッケード現象により電子一個で動作が可能な単一電子トランジスタに関する研究を進めています。カーボンナノチューブ量子ドットは大きな帯電エネルギーと離散化準位間隔を持つことから、量子ドット中に閉じ込められた電荷や電子スピンを利用して、量子ビットや論理回路等への応用が期待されています。図に示すように、単一電子トランジスタ動作を示すクーロンダイアモンド特性を示しています。論文：
- “Electronic transport of a carbon nanotube quantum dot in different coupling regime”
Hideyuki Maki, Yoichi Ishiwata, Masaki Suzuki and Koji Ishibashi, Jpn. J. Appl. Phys., 44 (2005) 4269-4271.
- “Local change of carbon nanotube-metal contacts by current flow through electrodes”
Hideyuki Maki, Masaki Suzuki and Koji Ishibashi, Jpn. J. Appl. Phys., 43 (2004) 2027–2030.
二重結合量子ドット
上記の量子ドットデバイスに加えて、牧研究室では、一本のカーボンナノチューブに対して2つの局所バックゲートを形成し、ナノチューブ内に存在する2つの量子ドットが結合した二重結合量子ドットの作製を試みました。2つの局所ゲート電極に独立に電圧を印加することにより、一本のカーボンナノチューブ内にある2つの量子ドットの電子数を独立に制御可能であることを示すとともに、2つの量子ドットが静電的に結合した二重結合量子ドット特性を観測することに成功しました。本成果は、2つの量子ドットの結合を利用した量子ビット・量子ゲートや1つの光子を発生させる単一光子発生素子への応用が期待されます。測定の結果、作製した二重結合量子ドットおよび二重結合量子ドット特性を示すハニカム構造が観測されています。論文：
- “Multi-Back-Gate Control of Carbon Nanotube Double-Quantum Dot”
Hideyuki Maki, Tomoyuki Mizuno, Satoru Suzuki, Tetsuya Sato, and Yoshihiro Kobayashi, Jpn. J. Appl. Phys., 48 (2009) 04C201.
電界効果トランジスタ
電界効果トランジスタ(FET)は、半導体にソース・ドレイン電極を形成し、ゲート電極に電圧を印加することにより、電流を制御する素子です。カーボンナノチューブFETは、ゲート電圧によりキャリアを電子(n型)・正孔(p型)に選択できるアンバイポーラ特性を示すことが知られており、従来の固体半導体には無い新たな機能デバイスが期待されています。本研究室では、電極材料に様々な仕事関数を有する金属電極を用いることにより、バンドギャップの大きなカーボンナノチューブにおいてもアンバイポーラ特性を示すことを明らかにしました。本技術は、電子・正孔の同時注入・再結合による発光素子への応用も可能です。論文：
- “Transport Characteristic Control of Field-Effect Transistors with Single-Walled Carbon Nanotube Films Using Electrode Metals with Low and High Work Functions”
Hideyuki Maki, Tetsuya Sato and Koji Ishibashi, Jpn. J. Appl. Phys., 45 (2006) 7234-7236..
- “Band Gap Narrowing and Electron Doping by Potassium Encapsulation into Single-Walled Carbon Nanotubes”
Hideyuki Maki, Satoru Suzuki, Tetsuya Sato and Koji Ishibashi, Jpn. J. Appl. Phys., 46 (2007) 2486–2489.
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