ｇ因子制御された量子ドットにおける単一光子から単一電子スピンへの量子状態転写

• Project/Area Number: 13F03322
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Research Field: 物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)(実験)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 樽茶 清悟 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40302799)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): LARSSON MARCUS 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員 ; LARSSON Marcus 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員 ; LARSSON Marcus Lennart 東京大学, 大学院工学系研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2015: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: 量子状態転写 / 光子電子変換 / 光学スピン閉塞効果 / 量子ドット / Quantum information / Quantum coherence / Quantum dots / Quantum optics / Semiconductors / Nano physics / Lasers / Condensed matter physics / 量子ビット / ナノテクノロジー / スピン / コヒーレント

Outline of Annual Research Achievements

本年度は主に以下に述べる光学スピン閉塞効果の実証を行った。この光学スピン閉塞効果は光子の偏光状態から量子ドット中の電子スピンへの量子状態転写の実証に等しく、本研究計画の最大の目標が達成された。具体的には、まず高速かつ高精度の電荷読出しのため、高周波反射法を用いた高速測定系の構築を行った。次に、GaAs基板上に単一の量子ドットデバイスを作製し、面内に磁場を印加した。実験では、光照射前の量子ドットに電子がない状態と電子が一つ入っている状態での単一光子電子変換効率の測定を行った。とくに、励起光の直線偏光の方向と励起波長に対する依存性を調べた。その結果、水平偏光と異なり、垂直偏光の照射時にはゼロ電子状態の量子ドットに比べて一電子状態の量子ドットでの変換効率が著しく減少することがわかった。特に、計算から求めた、スピン分裂した軽い正孔の励起波長で著しい減少がおこるのを明らかにした。これは、光励起により作られる電子スピンが、量子ドット中にいる電子スピンと同じ方向である場合に、パウリの排他率によって励起過程が抑制されるためである（光学スピン閉塞効果）。したがって、我々の結果では直線偏光によりスピンの選択的な励起ができていることになる。この直線偏光による光学スピン閉塞効果が観測されるには、光励起過程において量子状態転写が起こっている必要がある。したがって、単一光子から量子ドット中単一電子スピンへの量子状態転写の観測に成功したといえる。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Single photoelectron detection after selective excitation of electron heavy-hole and electron light-hole pairs in double quantum dots (2014)
  • Author(s): K. Morimoto, T. Fujita, G. Allison, S. Teraoka, M. Larsson, H. Kiyama, S. Haffouz, D. G. Austing, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW Volume: B 90 Issue: 8 Pages: 0853061-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.085306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning the electrically evaluated electron Land´e g factor in GaAs quantum dots and quantum wells of different well widths (2014)
  • Author(s): G. Allison, T. Fujita, K. Morimoto, S. Teraoka, M. Larsson, H. Kiyama, A. Oiwa, S. Haffouz, D. G. Austing, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S. Tarucha
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW Volume: B 90 Issue: 23 Pages: 2353101-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.235310
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Towards coherent transfer of quantum states from single photons to single spins in double quantum dots (2015)
  • Author(s): M. Larsson
  • Organizer: QSNS
  • Place of Presentation: 宮城蔵王ロイヤルホテル, Miyagi, Japan
  • Year and Date: 2015-02-20
• [Presentation] Detection efficieny of optically excited electrons in double quantum dots based on GaAs/AlGaAs quantum wells (2014)
  • Author(s): M. Larsson, K. Morimoto, T. Fujita, G. Allison, S. Teraoka, H. Kiyama, D. G. Austing, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, S. Tarucha
  • Organizer: ICPS
  • Place of Presentation: Austin Convention Center, Austin, USA
  • Year and Date: 2014-08-14
• [Presentation] Coupling between Single Photons and Single Electron Spins in Gate-Def ined Double Quantum Dots (2014)
  • Author(s): G. Allison, T. Fujita, K. Morimoto, H. Kiyama, S. Teraoka, M. Larsson, A. Oiwa, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S. Tarucha
  • Organizer: FIRST International Symposium on Topological Quantum Technology
  • Place of Presentation: Tokyo, The University of Tokyo
  • Year and Date: 2014-01-29
• [Presentation] Identification of Resonantly Excited Single Photoelectrons Trapped in Double Quantum Dots Based on GaAs/AlGaAs Quantum Wells (2013)
  • Author(s): T. Fujita, K. Morimoto, S. Teraoka, H. Kiyama, G. Allison, M. Larsson, A. Ludwig, A. Wieck, A. Oiwa. and S. Tarucha
  • Organizer: FIRST-Quantum Information Processing Project A nnual Meeting 2013
  • Place of Presentation: Tokyo, Koshiba hall
  • Year and Date: 2013-12-11
• [Presentation] Single-shot readout of photoelectron spins and verification of angular momentum transfer in a lateral double quantum dot (2013)
  • Author(s): T. Fujita, K. Morimoto, S. Teraoka, H. Kiyama, G. Allison, M. Larsson, A. Ludwig, A. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha
  • Organizer: FIRST-Quantum Information Processing Project A nnual Meeting 2013
  • Place of Presentation: Tokyo, Koshiba hall
  • Year and Date: 2013-12-11
• [Presentation] Coupling between single photons and single electron spins in gate-defined double quantum dots (2013)
  • Author(s): A. Oiwa, T. Fujita, K. Morimoto, H. Kiyama, S. Teraoka, M. Larsson, G. Allison, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S Tarucha
  • Organizer: 第18回半導体スピン工学の基礎と応用Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semicon ductors (PASPS)-18
  • Place of Presentation: 大阪, 大阪大学豊中キャンパス基礎工学国際棟
  • Year and Date: 2013-12-10
• [Presentation] Real-time detection of optically excited single electron spins in a lateral double quantum dot (2013)
  • Author(s): T. Fujita, K. Morimoto, G. Allison, S. Teraoka, H. Kiyama, M. Larsson, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT)
  • Place of Presentation: Kanagawa, NTT Atsugi R&D Center
  • Year and Date: 2013-11-29