室温下でSiC中の単一スピン情報の電気的読み出しを実現～高効率な電気的読み出しを実証し、量子デバイスの集積化に道拓く～

　西川哲理 化学研究所助教、森岡直也 同准教授、水落憲和 同教授、大島武 量子科学技術研究開発機構センター長（兼：東北大学特任教授）、土田秀一 電力中央研究所研究参事らの共同研究グループは、4H型炭化ケイ素（SiC）結晶中の原子の抜け穴に存在する一つの電子スピンの情報を、光照射により発生する光電流の計測（PDMR法）によって、室温下で電気的に読み出すことに成功しました。

　私たちの生活をより快適・安全・安心にするための様々な次世代技術、例えば、半導体微細化技術の限界や電力消費の増大から従来のスーパーコンピュータに代わるコンピュータ、情報セキュリティー強化から盗聴不可能な暗号通信技術が、生命科学や新材料の探求から高精度・高感度なセンシング技術が要求されています。これらの技術を実現する量子デバイスの開発に向け、SiC結晶中のシリコン原子の抜け穴であるシリコン空孔が持つ電子スピンは、室温で状態の初期化・操作・読み出しが可能であることから注目を集めています。また、SiCは半導体材料としても優れているため、半導体集積回路と親和性の高い電気的なスピン読み出し技術を用いることで量子デバイスの小型化・集積化が期待されています。しかし、既存のシリコン空孔の電気的スピン読み出し技術は効率が低く、量子情報応用や高空間分解能な量子センサへの応用に不可欠な単一スピンの検出が困難でした。

　本研究では電流検出素子の構造と動作条件を工夫してほぼ理想的な電荷検出効率を実現し、且つリーク電流を抑制することにより、単一シリコン空孔からの微弱なスピン信号の高効率な検出に成功しました。また、電流生成のための光照射パターンの制御により、光電流検出が既存の蛍光による検出（ODMR法）よりも優れた信号対雑音比を持つことを実証しました。これにより、室温動作が可能な集積SiC量子デバイスの実現が期待されます。

　本研究成果は、2025年4月15日に、国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。

「欠陥スピン技術は光の研究で大きく発展してきましたが、今回半導体の電気的性質を駆使することで、電気的な検出手法の持つ高いポテンシャルを実験結果として示すことができました。これをスタート地点として、更なる高感度化とデバイス応用を目指します。」（森岡直也）