Terahertz dynamics of single molecule transistors and its application to quantum information processing

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近年、量子ドット、単一分子など極微ナノ構造を活性層に用いた新規トランジスタの研究が注目されている。特に、単一分子は分子機能を応用できるデバイスとして注目されるとともに、分子振動や核スピンなどが新しい量子情報処理の媒体となる可能性も検討されている。このようなナノ構造中の量子準位や分子振動などの素励起のエネルギーは、おおよそテラヘルツ（THz）電磁波の光子エネルギーに対応するため、THz電磁波との相互作用の研究は、ナノ量子構造の物理の解明やその応用に適していると考えられる。特に、ナノギャップ中のTHz電界は大きく増強されるため、極めて強いTHz交流電界と電子系の相互作用という非常に興味深い状況も作り出せることもわかってきた。ちょうど今、THz電磁波と極微ナノ構造の相互作用の研究は新しいフェーズに入ったと言えよう。上記のような背景の下、現在立ち上がりつつある原子スケールの「テラヘルツナノサイエンス」という新しい分野をさらに推進・深化させ、応用への展開可能性を探ることを本研究の目的とする。本年度は、特に、単一の水分子を内包したフラーレン分子（H2O@C60）を活性層とする単一分子トランジスタのコンダクタンの磁場依存性を測定し、低磁場領域ででクーロンピークのコンダクタンスがヒステリシスを示すことや分裂を起こすことを見出し、その起源を検討している。また分子一個の電子スピン共鳴の測定に成功した。さらに、半導体量子ドットや量子ポイントコンタクトとsplit ring resonator (SRR)と呼ばれるTHz共振器との結合系において、電子系とTHz共振器系の超強結合を観測するとともに、同じ実験条件で外部からTHz電磁波を照射しなくてもコンダクタンスに変化が現れ、真空場揺らぎによると思われるコンダクタンス変化を観測することに成功した。