平川 一彦/HIRAKAWA Kazuhiko

平川 一彦 教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
量子半導体エレクトロニクス、テラヘルツダイナミクス、ナノサイエンス
【研究室URL】
http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp

研究内容

ナノメートル寸法の構造(ナノ量子系)の中では、電子の軌道や電荷、スピンなどの物理量が量子化されており、それにより様々な新しい物理現象を発現します。平川研究室では、このような“量子半導体”の中で現れる新規な物理現象を発見・解明するとともに、それらを制御することによりエレクトロニクスに新しい展開をもたらすことを目標に研究を行っております。その第一は、テラヘルツデバイスの研究です。テラヘルツ(THz)/フェムト秒(fs)領域は、従来の半導体デバイスが動作しない未開拓の周波数領域として取り残されてきましたが、近年のナノテクノロジーの進歩により実現できるようになった量子ナノ構造やパルスレーザ技術の発展により、次第にそのギャップが埋まりつつあります。我々は、“量子半導体”の新しい電子物性を用いることにより、THz/fs領域で動作する超高速デバイスや量子カスケードレーザ、超高感度THz光検出素子を開発しています。

もう一つの大きなテーマは、ナノ領域の伝導物性と制御の研究です。単一分子や量子ドットなどナノ量子系の状態を金属電極により電気的に制御・読み出すことができれば、演算や記憶を司る情報処理デバイスに革新をもたらすことができます。本研究では、精密に構造制御したナノギャップ電極により単一分子やInAs量子ドットへの接合を作製し、金属接合を介した1電子の注入と金属/ナノ量子系接合が発現する新規な物理現象の解明とその高機能デバイスへの展開について研究を行っています。

主な研究テーマは、以下の通りです。

フェムト秒レーザパルスを用いたコヒーレントTHz光の発生・検出・分光:

フェムト秒レーザパルスを用いて、バルク半導体や半導体超格子中の電子の動きが放出するTHz電磁波を検出することにより、数十フェムト秒の時間分解能で電子波束のダイナミクスを明らかにする研究を行っています。そのために必要な新しいTHz電磁波の発生・検出に関する基礎研究を行っています。さらに、極微量の試料や波長限界を超えたナノメータ寸法の試料のTHz分光を可能にするための検出方法の開発を行っています。

THz領域における量子ナノ構造の電子物性とデバイス応用:

半導体中の多くの物理量は、THz/fs領域に包含され、量子ナノ構造中の物性の解明には、電子とTHz領域の電磁波との相互作用を調べることが極めて有効です。我々は、THz分光法により、量子ナノ構造中の電子状態や伝導機構の解明を行っています。これにより、トランジスタの動作限界の解明やブロッホ発振器のダイナミクスの研究を行っています。さらに、分子線エピタキシー技術を駆使して、新しいTHz発振素子や超高感度光検出技術の開拓を行っています。

単一量子ドットトランジスタの物理と応用:

量子ドットは“人工原子”とも呼ばれ、その中では電子の軌道が殻構造を作って量子化されるとともに、スピンが関与した新規な物理現象が現れます。我々は、単一の自己組織化InAs量子ドットにナノギャップを有する金属電極を形成し、量子ドットと金属の接合系が織りなす新しい物理の研究を行っています。特に、スピンが関与したコヒーレントな伝導(近藤効果)、強磁性体電極と組み合わせた単一スピントランジスタ、さらに超伝導電極と組み合わせたジョセフソントランジスタなどの研究を行っています。

単一分子トランジスタ実現に向けたナノ技術・ナノ科学:

単一の分子は機能を発現する最小単位として、以前よりデバイスへの応用が議論されてきましたが、近年ようやく原子レベルで制御された精密な加工や精密な計測が可能になってきました。我々は、単一分子にアクセスするための1nm以下のギャップを有する金属電極の作製技術の確立や単一分子素子のTHzダイナミクスの研究などを通して、分子機能素子や量子情報処理技術への応用の可能性の探索を行っています。

学生へのメッセージ

本研究室では、国内の様々な研究グループはもとより、エコール・ノルマル(パリ)など海外の研究機関とも連携して、研究を進めています。“ものいじり”が好きな人、物理にロマンを感じる人などを歓迎します。質問、見学などは遠慮なく平川(hirakawa@iis.u-tokyo.ac.jp、03-5452-6260)までご連絡下さい。

図1:時間分解THz分光法により検出した半導体超格子中の電子のブロッホ振動
図2:単一の自己組織化量子ドットを活性層とするトランジスタの物理と応用
図3:原子レベルの超微細加工を用いた単一分子を活性層とするトランジスタとその応用
図4:分子線エピタキシーや電子ビーム露光を用いた極微ナノ構造の作製