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自己形成量子ドットのスピン軌道相互作用によるスピンコヒーレンスとスピン操作の研究

Research Project

Project/Area Number 09J08921
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

高橋 駿  東京大学, 大学院・工学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2009 – 2011
Project Status Completed (Fiscal Year 2011)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2009: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords自己形成量子ドット / スピン軌道相互作用 / スピンコヒーレンス / 近藤効果 / スピン操作 / 電子スピン共鳴 / 電子輸送現象
Research Abstract

当該年度では、単一のInAs自己形成量子ドット(SAQD)において、g因子の電気的制御による電子スピン回転操作の実現に向けて、g因子の異方性を調べること中心とした研究を立案、実施した。
これまで、単一InAs SAQDにおける電子のスピン軌道相互作用(SOI)の大きさと異方性を調べてきた。また、同系における高周波応答も調べてきた。その結果、InAs系の特徴である大きなSOIを利用することによって、マイクロ波によるスピン回転操作が期待できることが分かってきた。
一方、g因子の異方性を電気的に制御することによっても電子スピンの操作は可能であり、これにはgテンソル変調共鳴(g-TMR)を利用する。InAs SAQDではg因子もまた大きいため、このg-TMRによる高速なスピン操作も期待できる。当該年度では、この方法によるスピン操作に向けて同系におけるg因子の異方性とその電気的制御を目的とした。
対象とする単一のInAs SAQDの付近にサイドゲートを設け、ここにゲート電圧を印可することによって、ドットの面内方向の閉じ込めポテンシャルやドットに閉じ込められた電子の波動関数を変調することができる。g因子はクーロンブロッケードにおける高次のトンネル現象である、非弾性コトンネリングの磁場発展から見積もった。また、g因子の異方性は希釈冷凍機内に導入したvector magnetを利用して、3次元的に調べた。
その結果、InAs SAQDの系におけるg因子は、ドットの閉じ込めの異方性や、電子の属する軌道の対称性を反映することが分かった。また、これまでの同系でのg因子の異方性と比較することによって、ドットの閉じ込めポテンシャルがドットに接続するソース-ドレイン電極の接続の対称性に依存することが分かった。これは、電極がその下部の電子を追い出すように、高いポテンシャルを形成するためである。
さらに、サイドゲートによってg因子の電気的変調にも成功し、この変調の大きさから、g-TMRによるスピン操作を仮定した場合、そのスピードはラビ周波数に換算して0.88MHzの値を得た。この値は、これまでに報告されている他の方法による電子スピン操作周波数に劣るが、より異方的なポテンシャルをもつドットを利用することによって、今回見積もられた周波数よりも高速なスピン操作は実現可能であると考えられる。
この結果は、下記の国内学会で発表し、現在、投稿論文を準備中である。また、昨年度に得られた光介在トンネルに関する研究成果を下記の国内、国外学会で発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度では、単一のInAs自己形成量子ドット(SAQD)において、g因子の電気的制御による電子スピン回転操作の実現に向けて、g因子の異方性を調べること中心とした研究を立案、実施、成功した。これは、交付申請書に記載した研究目的をおおむね達成している。

Strategy for Future Research Activity

当該年度では、単一のInAs自己形成量子ドット(SAQD)において、g因子の電気的制御による電子スピン回転操作の実現に向けて、g因子の異方性を調べること中心とした研究を立案、実施した。
また、これまでに単一InAs SAQDにおける電子のスピン軌道相互作用(SOI)の大きさと異方性や、同系における高周波応答を調べてきた。
その結果、InAs系の特徴である大きなSOIを利用することによって、マイクロ波によるスピン回転操作が期待できることが分かってきたため、これを実施することが今後の推進方策である。

Report

(3 results)
  • 2011 Annual Research Report
  • 2010 Annual Research Report
  • 2009 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2012 2011 2010 2009

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (8 results)

  • [Journal Article] Electrically tuned g tensor in an InAs self-assembled quantum dot2011

    • Author(s)
      R.S.Deacon, Y.Kanai, S.Takahashi, A.Oiwa, K.Yoshida, K.Shibata, K.Hirakawa, Y.Tokura, S.Tarucha
    • Journal Title

      Physical Review B Rapid Communication

      Volume: 84 Issue: 4 Pages: 0413021-5

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.041302

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electrically tuned spin-orbit interaction in an InAs self-assembled quantum dot2011

    • Author(s)
      Y.Kanai, R.S.Deacon, S.Takahashi, A.Oiwa, K.Yoshida, K.Shibata, K.Hirakawa, Y.Tokura, S.Tarucha
    • Journal Title

      Nature Nanotechnology

      Volume: 6 Issue: 8 Pages: 511-516

    • DOI

      10.1038/nnano.2011.103

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large anisotropy of spin-orbit interaction in a single InAs self-assembled quantum dot2010

    • Author(s)
      S.Takahashi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 104

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 単一InAs自己形成量子ドットにおけるg因子の異方性とその電気的制御2012

    • Author(s)
      高橋駿
    • Organizer
      日本物理学会2012春季大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-24
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一InAs自己形成量子ドットにおける光介在トンネル2011

    • Author(s)
      高橋駿
    • Organizer
      日本物理学会2011秋季大会
    • Place of Presentation
      富山大学
    • Year and Date
      2011-09-23
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Photon and phonon assisted tunneling through a single InAs self-assembled quantum dot2011

    • Author(s)
      Shun Takahashi
    • Organizer
      Spintech 6
    • Place of Presentation
      Matsue, Japan
    • Year and Date
      2011-08-03
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一InAs自己形成量子ドットにおける光介在トンネル2010

    • Author(s)
      高橋駿
    • Organizer
      公開シンポジウム「ナノ量子エレクトロニクスの進展」
    • Place of Presentation
      東京大学武田先端知ビル
    • Year and Date
      2010-12-22
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一InAs自己形成量子ドットにおけるスピン軌道相互作用と高周波電場応答2010

    • Author(s)
      高橋駿
    • Organizer
      最先端研究開発支援プログラム量子情報処理プロジェクト全体会議2010
    • Place of Presentation
      熱海ニューフジヤホテル
    • Year and Date
      2010-12-08
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrical control of spin-orbit interaction in self-assembled InAs quantum dots2009

    • Author(s)
      R.S.Deacon
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Nanophotonics and Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      東京大学駒場リサーチキャンパス
    • Year and Date
      2009-11-19
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] Large anisotropy of spin-orbit interaction in a single InAs self-assembled quantum dot2009

    • Author(s)
      S.Takahashi
    • Organizer
      14th International conference on Narrow Gap Semiconductors and Systems
    • Place of Presentation
      東北大学片平さくらホール
    • Year and Date
      2009-07-17
    • Related Report
      2009 Annual Research Report
  • [Presentation] Large anisotropy of spin-orbit interaction in a single InAs self-assembled quantum dot2009

    • Author(s)
      S.Takahashi
    • Organizer
      2nd Workshop for artificial atoms from magnetic semiconductors project
    • Place of Presentation
      Universitat Wurzburg, Germany
    • Year and Date
      2009-06-18
    • Related Report
      2009 Annual Research Report

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Published: 2009-04-01   Modified: 2024-03-26  

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