テラヘルツ励起による単一電子のコヒーレント制御と機能性素子への応用

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本研究では、応募者がこれまでに培った10 nm級量子ドットの単一電子トランジスタへの応用技術に基礎を置き、単一電子・スピン状態とその動力学がクーロン相互作用やスピン相互作用、テラヘルツ（THz）光、フォノンなどを用いて多彩に制御できることを実証するとともに、量子情報処理に向けた新規デバイスへの応用を探索することを目的として研究を行っている。昨年度は本プロジェクトの２年目であり、１年目に成功した単一のPbSコロイド量子ドットを活性層とするトランジスタ素子の作製と評価を引き続き行うことで、単一PbSコロイド量子ドットの電気伝導現象の理解と単一電荷やスピン状態の制御の高度化に関する実験を中心に実施した。その結果、幾つかの新しい知見を得ることができた。まずは、量子ドットのサイズに依存して、帯電エネルギーや量子順位間隔が系統的に変化する様子を明らかにした。さらに、同一の量子ドットであってもドット中の電子軌道に依存して伝導度が何桁も変化する様子を観測し、それがドット中の電子波動関数の空間的な広がりに関与していることを明らかにした。また、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタ構造を適用することにより、PbS量子ドットのホール準位と電子準位のそれぞれを介した電気伝導を観測することに成功した。以上から、良好な光学特性を示すコロイド量子ドットに対して、光学的特性はそのままに、電気伝導素子への応用の道も開くことができた。以上の結果は、本研究提案で予定していた実証実験の適用周波数範囲が、コロイド量子ドットを用いることによってTHz帯のみならず可視光領域まで拡大できることを示唆する結果であり、単一量子ドット素子への量子情報機能の付与がより柔軟に実現できるようになったことを意味している。