研究室訪問記
量子伝導物性研究室（物理学専攻）【続編】
1955年生まれ。東北大学大学院理学研究科物理学専攻教授、工学博士。1978年東京大学工学部電子工学科卒業、1983年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了。NTT基礎研究所、物性科学基礎研究所の主任研究員、主幹研究員、特別研究員、部長、グループリーダーなどを経て、2006年より現職。この間、1990 - 1991年マックス・プランク固体研究所客員研究員、2007年 - JST-ERATO核スピンエレクトロニクスプロジェクト研究代表者、2001 - 2002年北海道大学客員教授、2005年 - 2006年東北大学客員教授など。
インジウムを含む半導体の超高感度NMR測定に成功 平山教授ら
東北大学大学院理学研究科の平山祥郎教授らのグループは12月、インジウム（In）というユニークな性質の核スピンを含み、次世代半導体の候補として注目されているIn系半導体の超高感度NMR（核磁気共鳴）測定に世界で初めて成功した。これまでガリウム砒素（GaAs）半導体のみ応用可能だった超高感度NMRの壁を約20年ぶりに破るもの。
平山教授らのグループは今回、GaAsとは異なるインジウムアンチモン（InSb）の特性を生かす方法を考え、試料を磁場中で傾斜させることで電子スピンと核スピンの相互作用が強くなる独特な状態をつくり、InSb半導体での超高感度NMR測定に成功した。特に、Inではスピン状態が10個の状態を持つことに対応するユニークな振る舞いが明瞭に観測された。
スピン状態が9個に分裂するInの超高感度NMRが可能になったことで、Inのようなユニークな核スピンの制御による量子情報処理分野への応用が期待される。さらに、超高感度NMR評価が可能になったことで、インジウム量子構造の次世代半導体デバイスとしての活用やスピンエレクトロニクスへの応用が促進される。本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review B」のオンライン速報版で、編者が特に推薦する「Rapid Communication」として公開される。
※前回のインタビュー記事はこちらを御覧ください。
◆スピン状態が10個に分かれるユニークな原子核「インジウム」の超高感度NMR測定に成功
―そもそも今回の成果はどのような点がすごいのでしょうか？
「スピンエレクトロニクス」と言うと、普通は電子のスピンしか使わないのですが、この研究は以前インタビューしていただいたように(平山教授の関連インタビュー記事はこちら)、原子核のスピンもうまく使ってやろうという研究の一環なんです。
では一体何がすごいか？と言えば、それは人によってすごいと思うかどうかは分かれますが、「インジウム」という非常にユニークな核スピンを持つ原子核のコントロール、いわゆる半導体の小さな構造の中でのコントロールを初めて実現した点が非常にユニークであり、一言で言えば、ほぼそこに尽きると思います。
―そもそもインジウムのどのような点がユニークなのですか？また、インジウムという原子核のコントロールが実現できたことに、どのような意味があるのですか？
今まで私たちのグループでは、「ガリウム砒素」を中心とした小さな半導体構造で核スピンをコントロールすることは既に実現できていました。つまり、ガリウム砒素など特定の半導体に限られていたわけです。
そもそもインジウムの何がユニークか？と言いますとね。その前に、例えば電子はスピンという性質を持っているのですが、「スピン２分の１」と言って、スピンが上向きか下向きか、要するにこの２つしか状態がないんですよ。
そしてガリウム砒素の場合、もう少し複雑になるのですが、それでも「スピン２分の３」と言って、２分の３、２分の１、マイナス２分の１、マイナス２分の３、この４つの状態なんですね。
ところがインジウムは、原子核の中でも非常に変わった性質を持っているんですよ。実は、原子核の量子レベルが１０個に分裂するという核なのです。つまり、インジウム原子核１個で、量子レベルが１０個あるということなんです。
すると例えば、量子コンピュータの１量子ビットは、量子準位が２つありますね（※）。２量子ビットは、量子準位が２×２＝４つあればできます。３量子ビットは、量子準位が２×２×２＝８つあればできます。ですから、インジウムは等価的に３量子ビット以上ができるという不思議な核なのです。
※量子コンピュータは、「0」と「1」の重ね合わせを表現できる「量子ビット」を情報の基本単位としている。
それに対して従来のコンピュータのビット（古典ビット）は「0」か「1」のどちらかの状態しかとることができない。
量子ビットについて詳しくは、前回の平山教授インタビュー記事をご覧ください
このようなインジウムを含む半導体で、ガリウム砒素と同じような感度の高い核スピン制御はこれまでできていなかったのですが、今回私たちはそれを可能にした、ということです。
―ガリウム砒素は２量子ビットだけども、インジウムは３量子ビット以上できるということは、量子コンピュータでより複雑なことができるようになることを意味しているのですか？
そうですね。今回は複雑なことができることまで示したわけではないのですが、より複雑なことができる可能性を秘めているということです。ただあくまで今回の成果は、インジウムでもガリウム砒素と同じように、半導体のナノ構造でNMR、要するに核スピンの制御ができますよ、ということまで示した点にあります。
実際にこの計測データにありますように、まだ非常に初期的なものはありますが、インジウムの量子状態が１０個に分類することに対応して、ちゃんと９個に分かれたピークが見えるところまではできました。
【図】インジウムを含む半導体の超高感度NMR測定で観測されたインジウムのNMRスペクトル。スピン状態が9個のピークを持つユニークな振る舞いが明瞭に観測された。
つまり、１０個に分かれている量子状態をちゃんと見れる可能性があります、ということです。まぁ「ちゃんと見ました」と言っても良いのですが、まだインジウムが持つ複雑な量子状態を精密に制御する段階までは行っていないんですね。
プロジェクトのゴールとしては、単に量子準位が見えましたという話だけではなく、量子準位をちゃんと制御しました、ということまで持っていきたいと考えています。
◆ユニークなスピン状態の量子情報応用への道を開く
―「インジウムの量子状態を制御する」ことは、どのようなことを意味しているのですか？
今回は単に、インジウムの量子準位が１０個に分裂して見えましたよ、というだけです。けれどもそれだけでなく、その１０個の準位を、量子力学的に計算されたある特定の長さのパルスをいろいろ当てることによって、ある準位の状態と別の準位の状態を入れ替えるのです。
しかも、それを隣同士だけでなく、少し離れたところの準位の状態を、例えば１０個の中で、３個目と４個目を入れ替えたり、１個目と９個目を入れ替えたり。そのようなことが自由にできて初めて量子コンピュータに向けた制御ができた、という話になるんです。
ですから今は、単に１０個見えることが確認できました、という話だけなので、それをちゃんとコントロールするという話までは、まだだいぶ開きがあるんですよね。そこをきちんとコントロールするところまでやらないといけないと考えています。
―インジウムの量子準位を制御することは、量子コンピュータの実現という観点から見ると、どのような意味があるのですか？
量子コンピュータは、世界中でいろいろな提案があり、いろいろな方法で実現しようとしているわけですが、どれもなかなか苦戦しているわけですね。
そんな中、例えば先述のようにインジウムの１０個の量子状態をうまく扱うことができると、量子ビット３つと同じなんです。一方、量子ビット３つを電子でつくろうと思えば、電子の量子ビット３つをうまく隣り合わせで並べなければいけません。
もちろん、このような形の量子ビットでそのようなことができれば、その後、集積回路と同じように４つ・５つ・６つと進めていくことができるわけです。
ただ、３つ隣同士に並べてうまく結合させるだけでも大変なんですよ。ほとんど今、世の中では、まだ２つがちゃんと動くか・動かないかという状況ですから。
そのような意味で、普通の量子ビットなら３つ並べて初めてできることを、インジウムという一つの原子核の中に押し込めてしまうことができるのです。
―３つ並べるのが大変なところを、インジウム一つでできてしまうのですね。それは、圧縮のようなものですか？
そうですね。圧縮みたいなものかもしれませんね。３つ並べなきゃいけないものを、一つで済ませるということですから。例えば、インジウムを２つうまく並べると、３×３＝９になりますよね。そのような意味で、もしうまくできれば、ちょっと大きい量子ビットのシステムのテストケースとして使える可能性があるということです。
―インジウムと同じくらい量子状態をたくさんつくれる原子核は、ほかにないのですか？
例えば原子核の場合、量子状態が１０個ある系で、私たちが普通に扱える系としては、恐らくインジウムしかないと思いますね。それ以外に、もっと分かれるものもあるのですが、それらは加速器などの世界で合成してつくられるものです。それは要するに、不安定で消えてしまうものが全部なのですね。そのような意味で、世の中に安定して、ずっと置いておいても壊れないという意味では、１０個に量子状態が分かれるインジウムが最大です。
そのような意味では、インジウムは普通に扱える状態としては一番たくさん量子状態がつくれる原子核なので、それでコヒーレント制御できるかもしれないというのは、ちょっと大きい夢という話になりますね。
◆狭ギャップ半導体にNMR測定が導入できる可能性を示す
今回、もう一つおもしろい点があります。今回、インジウムを含む半導体「インジウムアンチモン」で超高感度のNMR測定に成功しているのですが、インジウムを含む半導体は、専門的に言うと「狭ギャップ（nallow gap）半導体」と呼ばれています。その反対は「広ギャップ（wild gap）半導体」と呼ばれ、例えば窒化ガリウムなどがあります。
ギャップの狭い半導体は、電子の有効質量が軽くて、室温での移動が速いんですね。移動度が大きいということは、電子が早く流れることができるということなので、高速なデバイスができます。そのため狭ギャップ半導体は、レスポンス（応答）の速いデバイスをつくれる可能性があるため、インジウムはシリコンの次の有力な半導体材料の候補の一つとして挙げられています。
ところが、いわゆるインジウムを含むインジウムアンチモンをはじめたとした狭ギャップ半導体に応用できる測定手法は、これまであまりありませんでした。特にNMRは有力な手法ではあるのですが、普通は感度が低いので、半導体の評価には使えなかったのです。
しかしながら今回、高感度なNMR測定がインジウムアンチモンで可能になったことで、（先述のインジウムの１０個の量子準位を使う話は量子コンピュータに向けたアプローチなのですが、それとはまた別の話として、）インジウムを含む狭ギャップ半導体の特性をNMRで初めて評価することが可能になったわけです。
すると、将来シリコンに置き換わるかもしれないと言われている半導体の特性をきちんと評価する評価手法として、いろいろなところで価値が出てくる可能性があるわけです。
―今のところNMR以外に良い測定法はないのですか？
もちろんいろいろあるのですが、NMRが世の中の化学測定でよく用いられていることからもわかるように、NMRは非常に感度が良く、核スピンのまわりのちょっとした変化を大変感度良くとらえることができるんですね。
感度良くとらえることができると、例えば歪みがどれくらい入っているかや、核スピンのまわりの電子スピン状態がどのようになっているかもわかるんですよ。それはNMR以外の測定法でもある程度はわかるのですが、NMRが一番感度が良い測定法なのです。
ところが普通のNMRでそのような測定をしようとすると、約ｍｍの大きさの試料が必要になるんですね。一方、普通の半導体デバイスでは、厚さが２０?３０ｎｍ（ナノメートル：１ミリメートルの１００００００分の１）で、幅はμｍ（マイクロメートル：１ミリメートルの１０００分の１）からｎｍ程度しかありませんから、とてもNMR測定はできなかったのです。
しかしながら今回の高感度NMR測定の成功によって、小さなサイズのインジウムアンチモンのような半導体デバイスでも、NMRを応用することができるようになりました。すると、うまく行けば今まで測定できていなかった歪みや電子スピンの特性が見えてきて、将来のデバイスの改良につながる可能性があります。
つまり今回おもしろい点をまとめますと、まず一点目は、インジウムアンチモンのような狭ギャップ半導体にNMR測定が導入できる可能性を示した点。そして二点目は、非常にユニークな１０個に分裂する核スピンであるインジウムをナノスケールで制御できる可能性を示した点。要するにその前段階として、イリジウムを含む半導体で超高感度のNMR測定に成功したという点が、今回の成果です。
◆ガリウム砒素以外で高感度NMR測定が可能であることを示せたことが大きな成果
―昨年のインタビューでは、研究を登山に例えて「今はまだ、三合目くらいにいますね。五合目くらいまでは何とか見えているかな、というくらい。登り始めたけど、まだまだどうなるかわからない。本当にトップがあるのかないのかも、まだ見えていないですね」とお話されていました。あれからどれくらい進みましたか？
まだまだ裾の尾ですが、まず一歩進みましたね。
―どのあたりが一歩進んだのですか？
私たちは、高感度なNMRを使って量子コンピュータをつくったり、あるいは高感度な半導体の物性測定をやろう、という研究をしてきました。私たちのグループ以外も含めて、そのような研究をしている研究グループは世界中でいくつかあるのですが、ここ２０年間、ほとんどガリウム砒素だけだったのです。
ですから世の中には、「そういう測定はおもしろいけれども、ガリウム砒素だけしかできないのでは」と指摘する人もいました。確かにその指摘は結構当たっていて、ガリウム砒素はそのような測定がやりやすい材料のパラメータを持っているのです。けれども、今回の測定はそうじゃないよ、ガリウム砒素じゃなくても同じことができるよ、と示せたわけです。
もちろん、やり方はちょっと変えているんですね。ガリウム砒素と同じやり方を、最初インジウムアンチモンにやろうと思ったら、１年間やっても駄目で通用しませんでした。けれども、ちょっとやり方を工夫をすれば、ほかの半導体でも超高感度NMRができるよ、ということを示せたという点では、一歩進んだかなと思います。
―具体的にはどのような工夫をしたのですか？
基本原理は、二つの異なるスピン状態が同じエネルギーで存在できることを使って、核スピンをコントロールするんです。ガリウム砒素の場合は、アップとダウン、この二つの差はあまり大きくなくて、うまくやれば、片方が電子スピンで片方が核スピンなのですが、片方がひっくり返ると片方がひっくり返る。つまり、電子スピンと核スピンが、知らん振りじゃなくて、相手のことを意識するようになるんです。そのような条件が、ガリウム砒素の場合、垂直磁場でうまくつくれたんです。要するに、簡単に言うと、ガリウム砒素では、垂直に磁場を加えることで、電子スピンと核スピンの相互作用が強く出るところを見つけられたわけです。
ところが、インジウムアンチモンなどの狭ギャップ半導体は、アップとダウンの差が極めて大きいのです。差が大きくなりすぎるため、同じ量子ホール効果で、電子スピンと核スピンの相互作用が強くなる条件をつくれませんでした。そうやって１年くらいガリウム砒素と同じ方法でいろいろ試してみましたが、うまくいかなかったのです。そこで発想を変えて、アップとダウンの差が、その二次元面に垂直な別の準位と同じくらい、大きくなることを逆手に取ったのです。具体的には試料を磁場中で傾けることで、異なる量子ホール状態が重ねることができることを利用し、電子スピンと核スピンの相互作用が強くなるところを見つけました。
料理で例えるならば、ある料理はある味付けで美味しくできる。素材が違えば、もともと持っているものが違うので美味しくできませんでした。けれども全く違う味付けをすれば、別の材料も美味しくできますよ、といったところでしょうか。
―では「山のトップ」から見るといかがですか？
将来的には、いろいろなもので高感度なNMRができていろいろな核スピンがコヒーレントに制御できるということが山のトップだとすると、当然そこまでは遥かに遠いですね。
ただ、まだまだ本当に一歩一歩の一歩なので、あまり大きなことは言えないのですが、少なくともガリウム砒素以外でもちゃんとできますよと示せたことが、私たちのプロジェクトとしては非常に大きい成果でした。
―１個しかないのか、それとも少なくともそれ以外もあるのかでは、随分違いそうですね。
そうですね。一個しかできないというのではなく、他にもできるということになれば、だったら３個目も４個目もうまくやればできるでしょう、となりますからね。そのような意味で山登りで例えると、一歩前進したかなという気がします。
―今回のプロジェクトとしてのゴールは？
このプロジェクトの終わり頃までには、単にガリウム砒素以外に一つできましたという話ではなく、他のカーボン系の素材やいろいろな素材で、高感度NMRを実現したいと思っています。
―では最後に、最終的なゴールをどのようにイメージしていますか？
それは、この間のインタビュー内容とあまり変わらなくなりますが、私は、核スピンというものを表舞台に出したいと思っています。核スピンを用いた量子情報処理と、核スピンを用いた高感度測定。それを半導体、および半導体に限らずナノ構造（ナノマテリアル、ナノデバイス）の世界に導入したいと思っています。
ですから極端な話、原子一個に近いレベルでNMR測定ができて、そのようなNMR測定を使って、量子情報処理デバイスが実現できる。そのようなことが私の夢ですね。
―平山さん、本日はありがとうございました。
