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Realization of strong coupling states between a single electron and terahertz photons using GaAs semiconductor lateral quantum dots

Research Project

Project/Area Number 20K14384
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Kuroyama Kazuyuki  東京大学, 生産技術研究所, 助教 (20861602)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords半導体量子ドット / テラヘルツ / 強結合 / テラヘルツ光共振器 / 量子ポイントコンタクト / 量子ホール効果 / テラヘルツ電磁波 / GaAs横型量子ドット / コヒーレント結合 / テラヘルツ共振器
Outline of Research at the Start

本研究では、電子数を精密に制御可能なGaAs横型量子ドットに捕捉した電子のテラヘルツ(THz)電磁波応答を解明する。さらに、THz光共振器を導入することで、電子とTHz電磁波とがより強く結合した状態における電子の物性現象の検証を行う。これらの実験により得られる結果は、将来的に固体中の離れたドット中の電子を、THz共振器を介して結合する技術に繋がる。それにより、遠隔な電子に対して非局所な量子相関を実現する基礎学理的な実証実験や、それによって可能になる分散型の量子情報処理技術、オンチップのTHz電磁波による量子光通信技術への技術応用など、様々な分野への恩恵が期待される大変重要な研究である。

Outline of Final Research Achievements

To realize coherent coupling between electrons confined in quantum dots and on-chip terahertz (THz) resonators, we fabricated an on-chip THz optical resonator and a nearby quantum dot formed by the surface gate electrodes on a GaAs/AlGaAs heterostructure wafer having a two-dimensional electron system. The sample was externally irradiated with THz electromagnetic waves, and we measured the photocurrent spectrum of the quantum dots. As a result, we observed the cyclotron resonance of the two-dimensional electrons and the electronic excitation in the quantum dots, and both show an anticrossing signal against the resonance mode of the THz optical resonator, indicating a coherent coupling between these electronic excitations and the THz optical resonator.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

オンチップのTHz共振器と量子ナノ構造とのコヒーレント結合やそのような結合系の電気伝導を調べる研究はこれまでに報告がなく非常にユニークな系である。光と電子が非常に強く結合したときに現れると予測される様々な新奇現象が、電子輸送の物理にどのような影響をもたらすのかを調べる強力なプラットフォームとなることを期待する。また、応用の面では、オンチップのテラヘルツ共振器を介して、THz電磁波の波長程度の距離を隔てた量子ドット間で遠隔のコヒーレント結合を実現したい。それにより、近年目覚ましい発展を遂げている量子ビットの開発において問題となっている、量子ビットの多重化や集積化の問題を解決に貢献する。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Coherent interaction of a-few-electron quantum dot with a terahertz optical resonator2022

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa, Kazuhiko Hiarakawa
    • Journal Title

      arXiv:2204 10522

      Volume: 2204 10522 Pages: 220410522-220410522

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Coherent interaction of a-few-electron quantum dot with a terahertz optical resonator in the ultrastrong coupling regime2022

    • Author(s)
      K. Kuroyama, J. Kwoen, Y. Arakawa, and K. Hiarakawa
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: 2204.10522 Pages: 1-17

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Full counting statistics of spin-flip and spin-conserving charge transitions in Pauli-spin blockade2020

    • Author(s)
      Matsuo Sadashige、Kuroyama Kazuyuki、Yabunaka Shunsuke、Valentin Sascha R.、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 2 Issue: 3 Pages: 033120-033120

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.033120

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電荷・スピン・光子のテラヘルツ量子インターフェース2023

    • Author(s)
      黒山和幸
    • Organizer
      応用物理学会 第70回春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Coherent Interaction Between A Gate-Defined Quantum Dot And A Terahertz Split-Ring Resonator In The Ultrastrong Coupling Regime2022

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa, Kazuhiko Hirakawa,
    • Organizer
      47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-strong coupling in a hybrid quantum system of a quantum dot and a terahertz split-ring resonator observed by magnetoterahertz photocurrent spectroscopy2021

    • Author(s)
      K. Kuroyama, J. Kwoen, Y. Arakawa, and K. Hirakawa
    • Organizer
      24th International Conference in Electric properties of Two-Dimensional Systems/ 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs横型量子ドット・テラヘルツ共振器結合系の磁気分光2021

    • Author(s)
      黒山和幸, 權晋寛, 荒川泰彦, 平川一彦
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs2次元電子系に形成した量子ポイントコンタクトにおけるサブバンド間共鳴励起現象の観測2021

    • Author(s)
      黒山和幸、權晋寛、荒川泰彦、平川一彦
    • Organizer
      応用物理学会2021年度春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] テラヘルツ共振器によるGaAs2次元電子系量子ホール磁気伝導への反作用の観測2020

    • Author(s)
      黒山和幸、權晋寛、荒川泰彦、平川一彦
    • Organizer
      日本物理学会秋季大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] GaAs横型半導体量子ドットを用いた非平衡フォノン環境下における単一電子スピンの実時間測定2020

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama、Sadashige Matsuo、Sascha R. Valentin、Arne Ludwig、Andreas D. Wieck、Yasuhiro Tokura、Seigo Tarucha
    • Organizer
      Spintronics-RNJ Online Workshop 2020
    • Related Report
      2020 Research-status Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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