「量子二重ドットにおいて電流整流作用を確認」

　科学技術振興事業団(理事長　沖村　憲樹)の創造科学技術推進事業の「樽茶多体相関場プロジェクト」（総括責任者：樽茶　清悟　東京大学大学院理学系研究科物理学専攻教授）で進めている研究の一環として、二重量子ドットによる電流整流効果を観測した。この電流整流効果は２個の量子ドットを近接させることで、２個の電子が同じ量子状態を取れないというパウリの排他律を利用したものである。
　本研究成果は電子を「粒子」として扱う従来の半導体素子の動作原理ではなく、量子力学を応用した新たな動作原理による素子の実現につながるものであり、単一スピンデバイスや量子コンピューテングデバイスへの応用が期待される。
本研究結果は平成１４年７月２５日付けの米国科学雑誌「サイエンス」のweb版(http://www.sciencemag.org/)で発表される。

　近年、半導体素子の微細化が進み、素子のサイズはミクロン(千分の１ミリ)の世界からナノメーター(百万分の１ミリ)の世界に移行しようとしている。ナノメーターの領域では電子は「粒子」としての性質よりも「波」としての性質をより強く示すようになってくる。このため、ナノメーターサイズの半導体素子を実現するためには従来とは全く異なる、量子力学に基づく動作原理を確立しなければならない。

従来、整流作用を有するダイオード等の半導体素子は電子の「粒子」としての性質に基づくもので、半導体中を流れる電子が「熱による拡散」と「外から加えた電圧による力」とのバランスをとることにより動作している。しかしながら、このようなナノメーターサイズの半導体素子では「粒子」とは異なる動作原理が必要となる。

「樽茶多体相関場プロジェクト」の研究チームは今回、「2重量子ドット」を作成し、量子力学的効果であるパウリ排他律(*1)により、このデバイスが整流作用を持つことを観測した。

この「2重量子ドット」は直径500～600ナノメーターの円柱状の構造をしており、半導体でできた2つの円盤状のドットが障壁を挟んで並んでいる(図1)。側面にはゲート電極が付けてあり、このゲート電極に電圧をかけることで電子をドット内の50ナノメーター程度の領域に閉じこめることができる。

この「2重量子ドット」の片方に1個の電子が閉じこめられた状態では、パウリ排他律の効果により、整流作用を示す(*2)。図2に「2重量子ドット」の電流電圧特性を示す。マイナスの電圧を加えたときは電流は流れるが、プラスの電圧を加えるとパウリ効果により一定の電圧範囲において電流が流れることができない。

この結果は,電子のスピン1個に反応するダイオードが実現できることを示したもので、将来の量子計算やスピントロニクスに向けて、単一スピン制御、検出用の素子への応用も期待される。

本研究は「樽茶多体相関場プロジェクト」において、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻（樽茶研究室）及び、NTT物性基礎研究所との共同研究によって行われたものである。