51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/电気通信研究所　准教授　大塚朋广

【発表のポイント】

• 半导体コロイド量子ドット１个における単一スピン状态の评価と磁场制御に成功
• 単一电子トランジスタで室温动作を実现
• 搁辞贬厂準拠の环境适合材料を用い、持続可能な量子情报?スピントロニクス応用へ前进

【概要】

半导体コロイド量子ドット^＊１は、人工原子とも呼ばれる半导体の极微小な粒子で、太阳电池などの光电デバイス^＊２の活性层として近年注目されており、これまでに光学的特性は比较的よく研究されてきました。一方で、コロイド量子ドットの电気的性质の研究は少なく、特に単一のコロイド量子ドットの电気伝导の评価は技术的に困难であるためほとんど行われておらず、解明すべき问题が数多く残されています。

本研究グループは、２年前に半导体コロイド量子ドット１個を用いた単一電子トランジスタ（Single-Electron Transistor: SET）^＊３を作製し、従来困难だった単一量子ドットの电気伝导の详细な评価に成功するとともに、室温での厂贰罢动作を初めて実现しました。この成果は、コロイド量子ドットの光电デバイスや量子情报デバイスへの応用に向けた重要な第一歩となりました。

今回の研究では、その成果をさらに発展させ、搁辞贬厂规制に準拠した环境负荷の低い滨苍础蝉コロイド量子ドットを用いた厂贰罢において、磁场下での电気伝导特性を解析することで、単一スピン状态の评価と制御に成功しました。これにより、単一电子だけでなく単一スピンの操作が可能であることを実証し、量子情报デバイス^＊４やスピントロニクスデバイス^＊５への応用に向けて大きな前进を果たしました。?

本研究成果は公益財団法人高橋産業経済研究財団、公益財団法人JKA研究補助事業などの支援を受けて実現しました。成果論文は米国化学会が刊行する国際学術誌「ACS Nano（エーシーエス?ナノ）」に2026年1月4日付で掲載されました。

図１　１个のコロイド量子ドットを用いた単一电子トランジスタ（厂贰罢）の试料构造
（ａ）间隔がナノメートルサイズの金属电极（ナノギャップ金属电极）と电极间に分散した滨苍础蝉コロイド量子ドットの电子顕微镜写真。コロイド量子ドットは直径6ナノメートル程度。左下の线の长さが50ナノメートルを表す。（ｂ）滨苍础蝉コロイド量子ドット１个を用いた厂贰罢の试料构造と测定回路を示す模式図。ソース?ドレイン电极间に电圧をかけ、量子ドットを介した电流を测定する。ゲート电极に电圧をかけることで量子ドットを流れる电流を制御できるトランジスタ构造となっている。

【用语解説】

＊１）半导体コロイド量子ドット
量子ドットとはナノメートルスケールの半导体微粒子で、电子が量子力学的な飞び飞びの电子状态を持つことから「人工原子」とも呼ばれる。2023年には量子ドットの発见者3名がノーベル化学赏を受赏した。本研究で用いたコロイド滨苍础蝉量子ドットは、表面保护膜（有机配位子）によって安定化され、溶液プロセスで容易に取り扱うことができ、电子デバイスへの応用が可能である。さらに搁辞贬厂规制に準拠し、铅を含まないため环境负荷の低い材料である。

＊２）光电デバイス
光を放出するか、光を検出することができる电子デバイスの一种。光と电荷の相互作用を利用して、光を电気信号に変换したり、その逆を行ったりする。代表的な例は、前者が太阳电池、后者がディスプレイである。

＊３）単一电子トランジスタ
１个１个の电子をゲート电圧で制御して流すことができる究极の省エネルギー素子。作製には、２つの电极の间に数百～数ナノメートル程度の"岛构造"を準备する必要があるなど、非常に高度な作製技术が要求される。"岛构造"のサイズが小さいほど量子力学的な効果が顕着に観测され、高温动作も可能になる。本研究では、直径が6ナノメートル程度の微小なコロイド滨苍础蝉半导体量子ドットを単一电子トランジスタの"岛构造"として用いている。

＊４）量子情报デバイス
単一の光子や电子、スピンなどに情报机能を持たせることで情报処理を行う电子デバイス。次世代の情报処理や通信を担うとされており、量子コンピュータや量子暗号通信、量子センサなどに用いられる。単一光子発生器?検出器や単一电子トランジスタ、単一光子?スピン変换デバイスなどが该当する。

＊５）スピントロニクスデバイス
スピントロニクスは、電子の電荷に加えて「スピン（磁気的性質）」を利用する技術で、情報の記録 や処理を高効率に行える次世代デバイスとして注目されている。スピントロニクスデバイスは、低消費電力?高速動作?高集積化が可能で、量子情報処理への応用も期待されている。

【论文情报】

雑誌名：「ACS Nano」
論文タイトル：Magnetotransport and Coulomb Blockade in Single InAs Colloidal Quantum Dot Transistors
著者：Kenji Shibata, Tomoki Takiguchi, Akira Sato, Yuto Sasaki, and Tomohiro Otsuka
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