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白峰　賢一 (シラミネ　ケンイチ)

工学研究院　応用物理学部門　固体量子物理工学分野助教

研究者基本情報

■ 学位
  • 工学修士, 北海道大学
  • 博士（工学）, 北海道大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究キーワード
  • 透過型電子顕微鏡
  • 分子線エピタキシー
  • Transmission Electron Microscopy
  • Molecular Beam Epitaxy
研究分野
  • ナノテク・材料, 結晶工学
  • ナノテク・材料, 応用物性
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
委員歴
  • 2008年 - 2009年
    応用物理学会, 北海道支部会計幹事, 学協会

研究活動情報

■ 論文
  • Tip artifact in atomic force microscopy observations of InAs quantum dots grown in Stranski–Krastanow mode
    Ken-ichi Shiramine; Shunichi Muto; Tamaki Shibayama; Norihito Sakaguchi; Hideki Ichinose; Tamotsu Kozaki; Seichi Sato; Yoshiaki Nakata; Naoki Yokoyama; Masafumi Taniwaki
    Journal of Applied Physics, 101, 3, AIP Publishing, 2007年02月01日, ［査読有り］
    研究論文（学術雑誌）, The tip artifact in atomic force microscopy (AFM) observations of InAs islands was evaluated quantitatively. The islands were grown in the Stranski–Krastanow mode of molecular beam epitaxy. The width and height of the islands were determined using transmission electron microscopy (TEM) and AFM. The average [1¯10] in-plane width and height determined using TEM excluding native oxide were 22 and 7nm, respectively; those determined using AFM including the oxide were 35 and 8nm, respectively. The difference in width was due to the oxide and the tip artifact. The sizes including the oxide were deduced from TEM observations to be a width of 27nm and a height of 6nm with correction for the thickness of the oxide. The residual difference of 8nm between the width determined using AFM and that determined using TEM including the oxide was ascribed to the tip artifact. The results enable us to determine the actual size of the islands from their AFM images.
  • Critical cluster size of InAs quantum dots formed by Stranski-Krastanow mode,
    Shiramine, Ken-ichi; Itoh, Tomohiko; Muto, Shunichi
    J. Vac. Sci. Technol. B, 22, 2, 642, 646, 2004年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, The number of In atoms in a critical cluster, i*, in Stranski-Krastanow (S-K) mode of InAs islands was determined to be 1-10. The i* was determined using an activation energy EA of 2.0 eV determined from an Arrhenius plot of the saturated density of InAs islands formed on a GaAs (001) surface by S-K mode of molecular beam epitaxy [K. Shiramine et al., J. Cryst. Growth 242, 332 (2002)], and an activation energy of 1.6 eV for migration (surface diffusion) of In adatoms, inferred from other references. The common value ~2.0 eV of EA in S-K mode was ascribed to the small i*.
  • Size, density, and shape of InAs quantum dots in closely stacked multilayers grown by the Stranski-Krastanow made,
    Shiramine, Ken-ichi; Muto, Shunichi; Shibayama, Tamaki; Takahashi, Heishichiro; Kozaki, Tamotsu; Sato, Seichi; Nakata, Yoshiaki; Yokoyama, Naoki
    J. Vac. Sci. Technol. B, 21, 5, 2054, 2059, 2003年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Closely stacked multilayer structures of InAs islands with intermediate-layer thicknesses d of 3, 6, 10, and 20 nm were grown by the Stranski-Krastanow mode of molecular beam epitaxy and were observed using transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). The multilayers consisted of five InAs layers each of a thickness of 1.8 monolayers and four GaAs layers each of a thickness d. Columns of coherent islands were observed by cross-sectional TEM. Changes in the size and density of the islands with d, determined by AFM, could be explained in terms of (i) change in the vertical pairing probability of islands, (ii) detachment of In from the top of the island, and (iii) surface segregation of In. The observed AFM images of the islands were elliptical. Their major axis was in the [110] direction, and the length of the minor axis was 80% of that of the major axis.
  • Adatom migration in Stranski-Krastanow growth of InAs quantum dots
    K Shiramine; T Itoh; S Muto; T Kozaki; S Sato
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 242, 3-4, 332, 338, 2002年07月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Quantum gates using tunneling electron spins of a quantum-dot chain
    S. Muto; H. Sasakura; S. Adachi; Y. Kajiwara; K. Shiramine
    Physica E, 13, 616, 619, 2002年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • TEM observation of threading dislocations in InAs self-assembled quantum dot structure
    K Shiramine; Y Horisaki; D Suzuki; S Itoh; Y Ebiko; S Muto; Y Nakata; N Yokoyama
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 205, 4, 461, 466, 1999年09月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Scaling properties of InAs/GaAs self-assembled quantum dots
    Y. Ebiko; S. Muto; D. Suzuki; S. Itoh; H. Yamakoshi; K. Shiramine; T. Haga; K. Unno; M. Ikeda
    Physical Review B, 60, 11, 8234, 8237, 1999年09月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Exchange interaction of optically created electrons in coupled quantum dots
    S Itoh; S Muto; Y Ebiko; H Sasakura; K Shiramine
    JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 2-LETTERS, 38, 8B, L917, L919, 1999年08月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Volume distributions of InAs GaAs self-assembled quantum dots by Stranski-Krastanow mode
    Y Ebiko; S Muto; D Suzuki; S Itoh; K Shiramine; T Haga; Y Nakata; Y Sugiyama; N Yokoyama
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, 201, 1150, 1153, 1999年05月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Volume distribution of InAs/GaAs self-assembled quantum dots
    Y Ebiko; S Muto; S Itoh; D Suzuki; H Yamakosi; K Shiramine; T Haga
    COMPOUND SEMICONDUCTORS 1998, 162, 445, 450, 1999年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Threading dislocations in multilayer structure of InAs self-assembled quantum dots
    K Shiramine; Y Horisaki; D Suzuki; S Itoh; Y Ebiko; S Muto; Y Nakata; N Yokoyama
    JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1-REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REVIEW PAPERS, 37, 10, 5493, 5496, 1998年10月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Island size scaling in InAs/GaAs self-assembled quantum dots
    Y Ebiko; S Muto; D Suzuki; S Itoh; K Shiramine; T Haga; Y Nakata; N Yokoyama
    PHYSICAL REVIEW LETTERS, 80, 12, 2650, 2653, 1998年03月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
■ その他活動・業績
■ 主な担当授業
  • 応用物理学実験Ⅰ, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 応用物理学実験Ⅱ, 2024年, 学士課程, 工学部
■ 所属学協会
  • 日本結晶成長学会
  • 応用物理学会
  • Japanese Association for Crystal Growth
  • Japan Society of Applied Physics
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 量子効果によるスピン保存の研究
    科学研究費助成事業
    2007年 - 2007年
    武藤 俊一; 白峰 賢一
    量子効果は通常デジタル情報処理においては不確定性原理のためにマイナスであるとされている。例えば、1つの電子スピンのメモリを想定すると、その緩和がexp(-γt)の形をとる限り、測定してリフレッシュしてもメモリ持続時間が長くなることはない。しかしながら、短い時間では指数関数型の緩和からのズレがありexp(-αt^2)となることが知られている。このことを用いて短い時間で測定(観測)を繰り返せば、いわゆる「量子ゼノン効果」によりズレが持続し、メモリを飛躍的に永くすることができる(例えばM. C. Fischer et. al. Phys. Rev. Lett. 87(2001)040402)。更に、量子情報処理で確立している量子誤り補正を応用することもできる。また量子情報処理と異なり、多数決処理のような手法と量子誤り補正との組み合わせにより全く新しいメモリ保持の可能性も開ける可能性がある。
    本研究では特に量子Zeno効果による電子スピンのデジタルなメモリ延伸の可能性を調べるために1スピンの非指数関数的減衰を観測することを目的とし実験的検討を行った。
    スピンの安定に存在する量子構造の形成を検討した。具体的にはSi不純物を添加した量子井戸構造の作製を行った。また、電極により量子ドット中の電荷状態を制御するために、量子ドットを含むダイオード構造を試作した。更に、bright excitonとdark excitonにより逆ラムダ遷移を実現するために、フォークト配置での励起子エネルギーの磁場依存性を測定し、2つの遷移間のエネルギー差が400μeV程度と非常に大きな中性励起子を選別することに成功した。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 北海道大学, 19656001
  • 量子ドットでの核スピン光配向による量子情報処理の研究
    科学研究費助成事業
    2006年 - 2007年
    武藤 俊一; 足立 智; 土家 琢磨; 白峰 賢一
    本研究課題では、核スピンの重ね合わせ状態をメモリーへ応用することに注目し、そのフィージビリティ研究を行う。すなわち電子スピンを介した、光子一核スピン間の量子ビット変換による量子情報保存が現実的に可能か否かを明らかにする。このためには、電子スピンと核スピンのフリップーフロップにおけるエネルギー変化のない状態、すなわち、外部磁場と核磁場が打ち消しあった状態を形成する必要がある。
    昨年度はまず、InAlAs/GaAs量子ドットにおいて励起子による核磁場形成における励起光強度依存性、および励起光の円偏光度依存性を詳細に調べた。その結果、一方の円偏光励起において、励起光強度に対する核磁場の変化にヒステリシズが現れる(いわゆる核スピンスイッチ現象)が見出された。スイッチした先で、外部磁場と核磁場が打ち消し合って、電子スピンと核スピンが同時反転する際の電子の磁気エネルギ変化がない状態が実現しているものと解釈できる。これは、電子一核スピン間のQubit変換に必要な電子スピンが縮退した状態が実現されていることを示唆する。
    今年度は、更に磁場強度を変化させた場合について核磁場の双安定動作を確認した。磁場強度を増加させると核磁場は増加するが、或る閾値を超えると不連続に減少する。理論計算との比較の結果、この閾値の直前において、外部磁場と核磁場が完全に相殺する条件が満たされていることが分かった。しかしながら、核磁場は、核スピンの分極形成と分極破壊の釣り合いにより決まっており、完全分極、あるいは核スピンの暗状態(核スピンが飽和した状態)にはないことが分かった。このことは現状では超微細相互作用により電子スピンを核スピン集団の量子状態へ転写することが難しいことを示す。転写の実現には核スピン破壊速度を減少させる、或いは分極形成速度を向上させる必要があることが分かった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 18360001
  • 量子ドットの電子スピン光操作による量子演算の研究
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2005年
    武藤 俊一; 足立 智; 戸田 泰則; 白峰 賢一; 陽 完治
    量子ドットの電子スピンは将来の大規模量子コンピューティング実現へ向けての有力候補の1つである。報告者らはすでに量子ドットの電子スピンの光支援トンネルとそのクーロン・ブロッケイドを用いた普遍量子ゲートを提案している。この提案の妥当性を検証するための実験的検討を行った。また量子コンピューティングは量子情報光通信との整合性が必須と考えられる。そこで電子スピンと光子の間の量子ビット変換の手法を提案し、その実験的検討を行った。
    実験に先立ち、普遍量子ゲートの計算機シミュレーションを行った。この結果、100ps程度のスピンコヒーレンスが有ればCNOTの実験的検証が可能であることが分かった。
    次に、電子スピンのコヒーレンスを実験的に確認するため、4波混合によるスピン緩和時間の測定技術を立ち上げた。まず、ポンプ・プローブ法によるスピン緩和測定法が確立している量子井戸の電子スピンについて、スピン回折4波混合を適用し、従来のポンプ・プローブ法と矛盾しない結論を得られることを確認した。次にこの方法をInAlAs/AlGaAs量子ドットに適用、最長で7nsにおよぶ緩和時間を観測した。これは従来、量子ドットに対して便宜的に用いられた非共鳴的観測であるストリーク・カメラによるものよりも数倍長く、4波混合のような共鳴的な観測の必要を明示したものでもある。
    量子ビット変換の新しい方法として核磁場による縮退した電子準位とエネルギーの異なる正孔準位の形成を提案した。実際にInAlAs/AlGaAs量子ドットにおいて核磁場の形成実験を行ったところ、量子ビット変換に必要なバンド構造が形成可能であることが分かった。
    日本学術振興会, 特定領域研究, 北海道大学, 14076201
  • 量子ドットにおける電子スピンのコヒーレント制御の研究
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2003年
    武藤 俊一; 白峰 賢一; 戸田 泰則; 足立 智; 竹内 淳
    15層積層したInAlAs/AlGaAs量子ドットを試作、非共鳴励起下でのスピン緩和測定を試みた。実験は発振波長780nm、パルス幅80fsのチタンサファイアレーザーを励起パルス光源とし、右回り円偏光(σ+)パルスで試料を励起し、その発光のσ+成分と左回り円偏光(σ-)成分を分けてストリークスコープを用いて時間分解発光測定した。分光器の入射スリット手前に1/4波長板と偏光子を置き、発光を一度直線偏光に変換し、偏光子により水平および垂直直線偏光発光成分を分けて測定することで発光の偏光を識別した。試料は、10Kに冷却した。励起エネルギーと検出エネルギーとの差はおよそ100meVである。直線偏光励起での時間変化は単一指数関数で良くフィッティングでき、励起子の寿命(再結合時間)は約1.18nsと見積ることができた。σ+成分とσ-成分との差の減衰はスピン緩和時間をτ_sとするとexp(-2t/τ_s)で与えられる。これから得られたスピン緩和時間τ_sは1.31nsとなり励起子再結合時間と同程度となることが分かった。2次元量子井戸に比べて非常に長いスピン緩和時間となっており、井戸で有効なスピン緩和機構が量子ドットでは消失したと解釈できる。量子ドットが電子スピンのコヒーレント制御に好適な材料であることが確認できた。
    次世代のスピントロニクス材料としてワイドギャップ半導体およびポリフェニルアセチレン(PPA)の磁気的性質を調べた。PPAではスピングラス的な磁気的性質に加えて、磁場-磁化(M-H)曲線が閉じないことなど極めて興味深いスピン物性を示すことが明らかとなった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 14350001
  • 波長多重光メモリ用量子ドット材料の研究
    科学研究費助成事業
    1997年 - 2000年
    武藤 俊一; 横山 直樹; 白峰 賢一; 芳賀 哲也; 杉山 芳弘
    電子を原子レベルの小さい領域に閉じ込めると電子の「波の性質」が露わになってエネルギーがとびとびの値を持つ。結晶の自己組織化を応用してこのような究極の微細構造である量子ドットの形成が可能になって来たが、そのサイズが均一でない。本研究ではこの「不揃いな量子ドット」がそれぞれ固有の波長の光にのみ反応することを用いて波長方向に情報を記録する高密度光メモリを実現することを検討した。
    先ず量子ドットの形成を実際におこない、サイズのバラツキには一定の法則が存在することを世界で初めて発見した。すなわち、分子線結晶成長法(MBE)によるStranski-KrastanowモードによるInAs/GaAs自己集合歪み量子ドットについてドットの体積分布および位置分布にスケール則が成り立つことを見出した。歪みによるドットの自己形成が比較的単純な機構に基づいていることを示唆する。さらにメモリの持続時間を増やすためのトンネル効果の発現の研究を行い、InAlAs/AlGaAs量子ドットにおいて量子ドットからAlAs層への電子のトンネル現象を確認した。また量子ドットの数を増やすための積層化が可能であることを明らかにした。さらにInAs/GaAs量子ドットにおいてイオン・チャネリング法により量子ドット周辺での原子レベルの格子歪みを調べた結果、量子ドットへのGa原子の拡散を確認し、拡散がInAsの供給量に非常に敏感であることを見出した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 09450001
  • 異方性アモルファス半導体の研究
    科学研究費助成事業
    1994年 - 1994年
    白峰 賢一
    カルコゲン系アモルファス半導体に直線偏光させたバンドギャップ光を照射すると,光学的異方性が生じることが知られている。この現象は、バンドギャップ光が吸収されてアモルファス半導体の構造が変化し、構造が異方的になるためにおこると考えられているが、くわしい機構はわかっていない。この研究では、Ag-As-S系アモルファス半導体に偏光させた光を照射したときにおこる光学的異方性について,定量的に調べた。この系では,Agがイオン化してAg^+になっていることがわかっているので,これまでに研究の対象となっていたAs-S系などとは異なるふるまいをすることが予想された。
    AgAsS_2光ドープ膜とAs_2S_3蒸着膜について実験をおこなった。直線偏光させたHe-Neレーザ光を試料に照射し,He-Neレーザを光源とする偏光解析装置で複屈折を測定した。
    AgAsS_2光ドープ膜の複屈折は,10^5(J/cm^2)の光照射で飽和に達し,そのときの値はΔn=n||-n⊥〜+10^<-2>だった。ここに,n||とn⊥は,それぞれ照射した直線偏光と平行および垂直な電場振動面をもつ直線偏光に対する屈折率をあらわす。As_2S_3蒸着膜の複屈折Δn=-1×10^<-3>だった。この値は,光ドープ膜とくらべると,符号が反対で絶対値は1桁ちがう。偏光照射によって異方的になったAs_2S_3では,吸収端にも異方性があることがすでにわかっている。この研究では,光ドープ膜の吸収端には異方性はみられなかった。光ドープ膜における光誘起異方性は,これまでに知られているAs_2S_3などの光誘起異方性とは別の現象だと考えられる。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 06750001
  • 量子ドットの結晶成長と構造解析
    その他の研究制度
    競争的資金
  • Crystal growth and structure analysis of quantum dots
    The Other Research Programs
    競争的資金