一次元プラズモン回路による高周波信号の量子化分配器を実現

要点

• 高周波信号を正確な整数比で分配することができる量子化分配器を実現
• 磁場中の半導体でおこる量子ホール効果を用いて、電子の集団運動（プラズモン）を情報媒体とする一次元プラズモン回路で分配器を構成
• 正確な整数比で電荷を分配することができるため、高速で正確な信号伝達技術に活用が可能で、さらに新たなトポロジカル量子技術への発展が期待される

概要

東京工業大学 超スマート社会卓越教育院のChaojing Lin（リン・チャオジン）特任助教、理学院 物理学系の藤澤利正教授、日本電信電話株式会社 物性科学基礎研究所 の橋坂昌幸主任研究員らの共同研究グループは、量子ホール効果^[用語1]を用いた一次元プラズモン回路^[用語2]において、高周波信号を正確な整数比で分配することができる量子化分配器を実現した。これは、整数・分数量子ホール効果における電荷の分数化現象を明らかにしたことによる成果である。

本成果による量子化分配器は、正確な整数比で電荷を分配でき、その分配比を選択できるため、量子コンピュータにおける制御回路など、高速で正確な信号伝達技術に活用できる。また超高速信号処理や新たな機能性をもたらすトポロジカル量子技術^[用語3]への発展が期待される。

本研究成果は、英国科学誌Nature Communicationsに1月7日（現地時間）オンラインで掲載された。

研究成果

量子ホール効果を用いた一次元プラズモン回路において、高周波信号を正確な整数比で分配することができる量子化分配器^[用語4]を実現した。

図1は、量子化分配器の模式図を表しており、入力信号を正確に1:1で分配する素子 [図1(a)]と、入力信号を正確に2:1で分配する素子[図1(b)]の例を示している。入力に波束状の電圧パルス（電荷量q）を入射すると、一次元プラズモン回路（赤と青の実線）を電荷の波束が伝搬し、Y字型の分岐路において電荷量の比が正確に1:1または2:1に分配され、それらの信号が2つの出力に現れる。

これらの整数分配比は、量子ホール効果におけるランダウ占有率^[用語5]によって決まる。Y字分岐を構成する周囲の3つの領域A, B, Cにおけるランダウ占有率（それぞれν_A, ν_B, ν_Cとする）を、およそν_A = 2, ν_B = 1, ν_C = 0にすることで、電荷を正確に1:1で分ける1:1量子化分配器を構成することができる[図1(a)]。また、およそν_A = 1, ν_B = 2/3, ν_C = 0にすることで、電荷を正確に2:1で分ける2:1量子化分配器を構成することができる[図1(b)]。ν_A, ν_B, ν_Cの値が上記の値から若干ずれていても、正確に整数の比率で電荷を分配できるという特徴を有する。また、この分配比はランダウ占有率を選ぶことで切り替ることができる。これは、整数・分数量子ホール効果における電荷の分数化現象と呼ばれ、その分配比が整数比に量子化されることを以下の実験で検証したものである。

実験では、図2(a)(b)の挿入図のように、右側にあるY字分岐（点線内）の片方の出力を、左側のY’分岐（ここでは電荷の分配は全くおこらない）に戻すことで、分配過程が繰り返されるループ回路を構成した。入力に電荷量qの波束を入れ、Y字分岐の他方の出力に現れる電荷量（電流波束の面積）を測定した。図2(a)の1:1の分配器では、入射電荷量qに対して、電荷量がq/2, q/4, q/8, …の電荷波束が出力され、図2(a)の2:1の分配器では、入射電荷量qに対して、2q/3, 2q/9, …の電荷波束が出力されることから、正確な整数比で分配することができる量子化分配器の動作（電荷の分数化現象）が検証できた。

用いた素子は、GaAs（ガリウム砒素）とAlGaAs（アルミニウムガリウム砒素）の半導体ヘテロ構造を微細加工したもので、図3(a)の写真のように、半導体ヘテロ構造（薄いグレー）をエッチング加工（濃いグレー）し、オーミック電極（Ω_I, Ω_D）とゲート電極（G_L, G_I, G_D）が形成されている。半導体ヘテロ構造とゲート電極G_Lが重なった領域を用いて、図2のループ回路が構成されている。ゲート電極G_Iを用いて電荷波束を発生し、ゲート電極G_Dとオーミック電極Ω_Dを用いて電荷波束を測定した。磁場やゲート電極に印加する電圧を調整することで、分配比率（1:1、2:1など）を切り替えることができる。素子は、図3(b)の写真のパッケージに収められ、極低温強磁場中にて動作を検証した。

背景

高度な情報化社会（超スマート社会）の実現には、高速で正確な信号伝達技術が不可欠である。しかし、通常の電気信号（電磁波）による高周波信号は、回路の僅かな不整合による反射が発生し、高周波になるほど正確な信号伝達が難しくなる。本研究で着目する量子ホール効果を用いた一次元プラズモン回路では、不整合による反射が原理的に存在せず、信号は決まった一方向（図1の矢印の方向）に伝搬するため、高速で正確な信号伝達が可能になると期待されている。

入力信号を複数の出力に分ける分配器は、高周波回路で必須の基本回路ながら、正確な分配器を実現することは困難である。本研究で実現した量子化分配器は、正確な整数比で電荷を分配することができ、その比率を切り替え可能であるため、高速で正確な信号伝達技術に活用することができる。例えば、高い精度で高周波信号を切り替える必要がある量子コンピュータ用制御回路等への応用が期待される。

経緯

研究グループでは、量子ホール効果を用いた一次元プラズモン回路やその電子物性について調べてきた。これまで、類似のY字分岐による信号分配回路の研究を行ってきたが、回路の静電容量のばらつきによって正確な整数分配比を得ることは困難であった。今回、プラズモン回路に顕著なトンネル現象がある場合に着目することで、正確な整数比に量子化された電荷の分配（論文タイトルのquantized charge fractionalization）を得ることが可能になった。

今後の展開

本研究で実現した量子化分配器は、切り替え可能な整数比で電荷を分配することができるため、高速で正確な信号伝達が要求される回路に活用することができる。この手法を発展させることで、半導体をベースとした量子コンピュータの制御手法に関する研究に繋げる。

正確な整数比での信号分配という量子機能性は、量子ホール効果をもたらす電子状態が特殊なトポロジカル状態にあることに起因する。本研究で見出した現象は、電荷分数化（charge fractionalization）と呼ばれ、トポロジカルな系に特有の興味深い物理現象であり、非自明な準粒子の機能性をもたらすトポロジカル量子技術への発展が期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Quantized charge fractionalization at quantum Hall Y junctions in the disorder dominated regime
著者 :	Chaojing Lin, Masayuki Hashisaka, Takafumi Akiho, Koji Muraki, and Toshimasa Fujisawa
DOI :	10.1038/s41467-020-20395-7

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