東北大学研究者紹介

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シノザキ　モトヤ

篠﨑　基矢

Motoya Shinozaki

所属

高等研究機構材料科学高等研究所　デバイス・システムグループ

職名

特任助教（研究）

学位

博士（工学）（東北大学）
修士（工学）（東北大学）

researchmap

https://researchmap.jp/nanodora

J-GLOBAL ID

202201003638677024

e-Rad 研究者番号

50963998

ORCID

https://orcid.org/0000-0001-9460-9156

経歴 2

2025年5月～継続中

国立研究開発法人物質・材料研究機構　ナノアーキテクトニクス材料研究センター　客員研究者
2023年3月～継続中

東北大学材料科学高等研究所　特任助教

学歴 3

東北大学大学院　工学研究科　電子工学専攻

2018年10月～ 2022年3月
東北大学大学院　工学研究科　電子工学専攻

2016年4月～ 2018年3月
東北大学　工学部　情報知能システム総合学科

2014年4月～ 2016年3月

委員歴 3

International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)　Program Committee, Area 9

2025年1月～継続中
東北大学附置研究所若手アンサンブルプロジェクト　ワーキンググループ委員

2024年9月～継続中
日本物理学会　領域4 運営委員

2024年4月～ 2025年3月

所属学協会 1

日本物理学会

研究キーワード 2

量子デバイス
スピントロニクス

研究分野 3

ナノテク・材料 / ナノ構造物理 /
自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理 /
ナノテク・材料 / 応用物性 /

受賞 1

工学研究科長賞

2022年3月　東北大学大学院工学研究科

論文 18

Formation of few-electron triple quantum dots in ZnO heterostructures 査読有り

Koichi Baba, Kosuke Noro, Yusuke Kozuka, Takeshi Kumasaka, Motoya Shinozaki, Masashi Kawasaki, Tomohiro Otsuka

Scientific Reports　15　(1)　36612　2025年10月21日
出版者・発行元： Springer Science and Business Media LLC
DOI： 10.1038/s41598-025-20567-9 　

eISSN：2045-2322

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Abstract In recent years, advancements in semiconductor manufacturing technology have enabled the formation of high-quality, high-mobility two-dimensional electron gases in zinc oxide (ZnO) heterostructures, making the electrostatic formation of quantum dots possible. ZnO, with its low natural abundance of isotopes possessing nuclear spin and its direct band gap, is considered a potentially suitable material for quantum bit applications. In this study, we achieve the formation of triple quantum dots and the realization of a few-electron state in ZnO heterostructure devices. We also confirm that by varying the gate voltage between the quantum dots, it is possible to control the interdot coupling. Additionally, we observe a tunneling phenomenon called a quantum cellular automata effect, where multiple electrons move simultaneously, which is not seen in single or double quantum dots, due to Coulomb interactions. Our results demonstrate that ZnO nanostructures have reached a level where they can function as controllable multiple quantum dot systems.
On-board calibrated radio-frequency measurement at cryogenic temperatures for determination of SrTiO3-based capacitor properties 査読有り

Akitomi Shirachi, Motoya Shinozaki, Yasuhide Tomioka, Hisashi Inoue, Kenta Itoh, Yusuke Kozuka, Takanobu Watanabe, Shoichi Sato, Takeshi Kumasaka, Tomohiro Otsuka

Applied Physics Letters　127　(15)　153501　2025年10月13日
出版者・発行元： AIP Publishing
DOI： 10.1063/5.0299758 　

ISSN：0003-6951

eISSN：1077-3118

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Quantum computing has emerged as a promising technology for next-generation information processing, utilizing semiconductor quantum dots as one of the candidates for quantum bits. Radio-frequency (rf) reflectometry plays an important role in the readout of quantum dots but requires a precise rf measurement technique at cryogenic temperatures. While cryogenic calibration techniques, essential for rf reflectometry, have been developed, on-board calibration near the device remains an important challenge. In this study, we develop an on-board calibrated rf measurement system operating at 4 K for characterizing SrTiO3-based varactors, which are promising components for tunable impedance matching circuits. Our system enables accurate measurements by eliminating errors associated with long rf circuit lines. We investigate the effects of annealing conditions, crystal orientation, and Ca doping of SrTiO3 crystals on the varactor properties in the frequency range for rf reflectometry. Our results provide insights for optimizing these components for cryogenic rf applications in quantum information processing systems.
RFSoC-based radio-frequency reflectometry in gate-defined bilayer graphene quantum devices 査読有り

Motoya Shinozaki, Tomoya Johmen, Aruto Hosaka, Takumi Seo, Shunsuke Yashima, Akitomi Shirachi, Kosuke Noro, Shoichi Sato, Takeshi Kumasaka, Tsuyoshi Yoshida, Tomohiro Otsuka

Applied Physics Express　18　075001　2025年7月9日
出版者・発行元： IOP Publishing
DOI： 10.35848/1882-0786/ade6c2 　

ISSN：1882-0778

eISSN：1882-0786

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Abstract Quantum computers require scalability and high performance. While semiconductor quantum dots are promising candidates for qubits, the complexity of measurement setups poses a challenge for scaling up. Here, radio-frequency system-on-chip (RFSoC) technology is expected to be a promising approach. In this paper, we demonstrate RF reflectometry in gate-defined bilayer graphene quantum devices using RFSoC-based measurement architecture. By controlling the confinement strength, we achieve both Fabry-Pérot interferometer and quantum dot operations in a single device. We also identify pathways for sensitivity optimization through tunnel barrier engineering and resonator design. These results represent a step toward integrating high-bandwidth measurements with quantum devices.
Charge-state estimation in quantum dots using a Bayesian approach 査読有り

Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Tomohiro Otsuka

Physical Review Applied　23　(3)　034078　2025年3月26日
出版者・発行元： American Physical Society (APS)
DOI： 10.1103/physrevapplied.23.034078 　

eISSN：2331-7019
Dynamics of quantum cellular automata electron transition in triple quantum dots 国際共著査読有り

Takumi Aizawa, Motoya Shinozaki, Yoshihiro Fujiwara, Takeshi Kumasaka, Wataru Izumida, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Tomohiro Otsuka

Physical Review B　110　235421　2024年12月18日

DOI： 10.1103/PhysRevB.110.235421 　
Probing electron trapping by current collapse in GaN/AlGaN FETs utilizing quantum transport characteristics 査読有り

Takaya Abe, Motoya Shinozaki, Kazuma Matsumura, Takumi Aizawa, Takeshi Kumasaka, Norikazu Ito, Taketoshi Tanaka, Ken Nakahara, Tomohiro Otsuka

Applied Physics Letters　125　253501　2024年12月16日

DOI： 10.1063/5.0232463 　
Surface Gate-Defined Quantum Dots in MoS2 with Bi Contacts 国際共著査読有り

Riku Tataka, Alka Sharma, Motoya Shinozaki, Tomoya Johmen, Takeshi Kumasaka, Yong P. Chen, Tomohiro Otsuka

Journal of the Physical Society of Japan　93　094601　2024年9月15日

DOI： 10.7566/JPSJ.93.094601 　
Microwave-dependent quantum transport characteristics in near pinched-off GaN/AlGaN field-effect transistors 査読有り

Motoya Shinozaki, Takaya Abe, Kazuma Matsumura, Takumi Aizawa, Takeshi Kumasaka, Tomohiro Otsuka

Physical Review B　110　(3)　035305　2024年7月17日
出版者・発行元： American Physical Society (APS)
DOI： 10.1103/physrevb.110.035305 　

ISSN：2469-9950

eISSN：2469-9969
Visual explanations of machine learning model estimating charge states in quantum dots 国際共著査読有り

Yui Muto, Takumi Nakaso, Motoya Shinozaki, Takumi Aizawa, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, Atsunori Kanemura, Motoki Shiga, Tomohiro Otsuka

APL Machine Learning　2　(2)　026110　2024年4月15日
出版者・発行元： AIP Publishing
DOI： 10.1063/5.0193621 　

eISSN：2770-9019

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Charge state recognition in quantum dot devices is important in the preparation of quantum bits for quantum information processing. Toward auto-tuning of larger-scale quantum devices, automatic charge state recognition by machine learning has been demonstrated. For further development of this technology, an understanding of the operation of the machine learning model, which is usually a black box, will be useful. In this study, we analyze the explainability of the machine learning model estimating charge states in quantum dots by gradient weighted class activation mapping. This technique highlights the important regions in the image for predicting the class. The model predicts the state based on the change transition lines, indicating that human-like recognition is realized. We also demonstrate improvements of the model by utilizing feedback from the mapping results. Due to the simplicity of our simulation and pre-processing methods, our approach offers scalability without significant additional simulation costs, demonstrating its suitability for future quantum dot system expansions.
Wide dynamic range charge sensor operation by high-speed feedback control of radio-frequency reflectometry 査読有り

Yoshihiro Fujiwara, Motoya Shinozaki, Kazuma Matsumura, Kosuke Noro, Riku Tataka, Shoichi Sato, Takeshi Kumasaka, Tomohiro Otsuka

Applied Physics Letters　123　(21)　213502　2023年11月20日
出版者・発行元： AIP Publishing
DOI： 10.1063/5.0167212 　

ISSN：0003-6951

eISSN：1077-3118

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Semiconductor quantum dots are useful for controlling and observing quantum states and can also be used as sensors for reading out quantum bits and exploring local electronic states in nanostructures. However, challenges remain for the sensor applications, such as the trade-off between sensitivity and dynamic range and the issue of instability due to external disturbances. In this study, we demonstrate proportional-integral-differential feedback control of the radio-frequency reflectometry in GaN nanodevices using a field-programmable gate array. This technique can maintain the operating point of the charge sensor with high sensitivity. The system also realizes a wide dynamic range and high sensor sensitivity through the monitoring of the feedback signal. This method has potential applications in exploring dynamics and instability of electronic and quantum states in nanostructures.
Radio-Frequency Reflectometry in Bilayer Graphene Devices Utilizing Microscale Graphite Back-Gates 査読有り

Tomoya Johmen, Motoya Shinozaki, Yoshihiro Fujiwara, Takumi Aizawa, Tomohiro Otsuka

Physical Review Applied　20　(1)　014035　2023年7月17日
出版者・発行元： American Physical Society (APS)
DOI： 10.1103/physrevapplied.20.014035 　

eISSN：2331-7019
Nonlinear conductance in nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis 国際共著査読有り

Motoya Shinozaki, Junta Igarashi, Shuichi Iwakiri, Takahito Kitada, Keisuke Hayakawa, Butsurin Jinnai, Tomohiro Otsuka, Shunsuke Fukami, Kensuke Kobayashi, Hideo Ohno

Physical Review B　107　(9)　094436　2023年3月30日

DOI： 10.1103/PhysRevB.107.094436 　

ISSN：2469-9950

eISSN：2469-9969
Scalable fabrication of graphene nanoribbon quantum dot devices with stable orbital-level spacing 査読有り

Toshiaki Kato, Takahito Kitada, Mizuki Seo, Wakana Okita, Naofumi Sato, Motoya Shinozaki, Takaya Abe, Takeshi Kumasaka, Takumi Aizawa, Yui Muto, Toshiro Kaneko, Tomohiro Otsuka

Communications Materials　3　(1)　103　2022年12月22日
出版者・発行元： Springer Science and Business Media LLC
DOI： 10.1038/s43246-022-00326-3 　

ISSN：2662-4443

eISSN：2662-4443

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Abstract Large-scale integration of quantum-dot devices is essential for realizing various quantum devices. Graphene-based quantum dots provide a promising platform for spin qubits because of their low nuclear spin density and weak spin-orbit interaction. However, the integration of graphene-based quantum dots remains a challenge. Here, we demonstrate the scalable fabrication of graphene nanoribbon-based quantum-dot devices using a nickel nanobar technique. Fine structures formed in the middle of the nanoribbons exhibit quantum-dot behavior, and more than 56% of devices fabricated on the same substrate show Coulomb diamond features, indicating that large-scale integration of graphene nanoribbon quantum-dot devices is possible with our method. Cryogenic measurements reveal orbital-level spacings between the ground and excited states that are stable up to high-temperature conditions of ~20 K. We explain this stability in terms of the very fine structures formed in the middle of the nanoribbons and their relatively low effective mass.
Gate voltage dependence of noise distribution in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots 国際共著査読有り

Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha, Tomohiro Otsuka

Applied Physics Express　14　(3)　035002-035002　2021年3月1日
出版者・発行元： IOP Publishing
DOI： 10.35848/1882-0786/abe41f 　

ISSN：1882-0778

eISSN：1882-0786
Probing edge condition of nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions by spin-wave resonance 査読有り

M. Shinozaki, T. Dohi, J. Igarashi, J. Llandro, S. Fukami, H. Sato, H. Ohno

Applied Physics Letters　117　(20)　202404-202404　2020年11月16日
出版者・発行元： {AIP} Publishing
DOI： 10.1063/5.0020591 　
Write-error rate of nanoscale magnetic tunnel junctions in the precessional regime 査読有り

Takaharu Saino, Shun Kanai, Motoya Shinozaki, Butsurin Jinnai, Hideo Sato, Shunsuke Fukami, Hideo Ohno

Applied Physics Letters　115　(14)　142406-142406　2019年9月30日
出版者・発行元： {AIP} Publishing
DOI： 10.1063/1.5121157 　

ISSN：0003-6951

eISSN：1077-3118
Free-layer size dependence of anisotropy field in nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions 査読有り

Motoya Shinozaki, Junta Igarashi, Hideo Sato, Hideo Ohno

Applied Physics Express　11　(4)　043001　2018年

DOI： 10.7567/APEX.11.043001 　
Damping constant in a free layer in nanoscale CoFeB/MgO magnetic tunnel junctions investigated by homodyne-detected ferromagnetic resonance 査読有り

Motoya Shinozaki, Eriko Hirayama, Shun Kanai, Hideo Sato, Fumihiro Matsukura, Hideo Ohno

Applied Physics Express　10　(1)　13001-13001　2017年
出版者・発行元： Institute of Physics
DOI： 10.7567/APEX.10.013001 　

ISSN：1882-0778

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共同研究・競争的資金等の研究課題 10

メタマテリアル構造によるグラフェン新奇物性発現・機能デバイス創出

篠﨑基矢

2025年4月～ 2027年3月
5G/6G情報通信技術を活用した量子ビット制御基盤の開発

篠﨑基矢

2026年3月～ 2027年2月
超伝導体超薄膜による新原理トランジスタの創製

篠﨑基矢

2025年7月～ 2026年6月
新原理トランジスタに向けた二次元超伝導体の電界制御に関する調査

岩切秀一, 篠﨑基矢

2025年6月～ 2026年3月
極低温動作高周波コンポーネント評価・活用による量子ビット読み出しのノイズ抑制・高速化

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2025年4月～ 2026年3月
二次元材料を用いたスピン軌道トルク磁気トンネル接合素子に関する研究

張超亮, 篠﨑基矢

2023年11月～ 2025年10月
2次元材料におけるゲート誘起周期構造の開発

篠﨑基矢

2024年6月～ 2025年3月
半導体量子ドットにおける超高速量子状態観測手法の開発実証

篠﨑基矢

2022年8月～ 2024年3月
磁性体スピントロニクスに基づく色中心エンジニアリング

篠﨑基矢

2020年4月～ 2022年3月

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半導体量子ドットは量子ビットとしての応用が期待される一方で、ナノスケールな局所電子状態のプロービングツールとしても有用である。今年度は半導体量子ドットを用いたミクロプローブ測定系の構築と改良、そして測定限界を決めるノイズメカニズムについて詳細に調べた。ミクロプローブは量子ドットを抵抗と見立てたRLC共振回路により主に構成され、計測対象の量子状態は量子ドットの抵抗変化を介して共振器から反射される高周波信号の振幅に反映される。この共振器の周波数特性や回路コンポーネントの影響が読み出し信号のノイズに反映されていることをモデル計算と実験から示した。また量子ドット中の電荷ゆらぎノイズとミクロプローブ感度との相関について詳細に調べた。得られた複数のノイズの周波数特性から、実際のミクロプローブによる実時間測定における主なノイズ源を積算時間の観点から整理し、ミクロプローブを用いた高速測定のノイズメカニズムの詳細を明らかにした。また、ノイズを低減して量子ドット中の電荷状態を調べるための信号処理手法として、これまでは時間積算による単純平均化が用いられてきた。この時間積算により状態読み出し速度が律されるため、これに代わる新たなアルゴリズムとしてベイズの定理を用いた状態推定手法を提案した。この手法により、従来の平均化手法よりもより高速に状態推定が可能であることを実証した。また、ノイズの低減には測定回路中のアンプの内因的ノイズを小さくすることが有効である。そこで低温で動作する低ノイズなパラメトリック増幅器を開発するなど、ハード・ソフトの両側面からノイズ低減に資する研究も遂行している。
スピントロニクスの量子情報研究への展開

2019年4月～ 2022年3月

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担当経験のある科目(授業) 2

マテリアル工学実験I　東京大学
マテリアル工学基礎及び演習I　東京大学