Control of single spin state by lattice strain and phonon-mediated spin-spin interaction

• Project/Area Number: 20KK0113
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 黒田 眞司 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40221949)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Traore Aboulaye 筑波大学, 数理物質系, 助教 (20837455) ; 秋山 了太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 量子ドット / 単一スピン / 表面弾性波 / スピントロニクス / 交換相互作用 / スピン-歪結合 / 量子ビット / スピンー歪結合

Outline of Research at the Start

我々はこれまで自己形成CdTeドット中に含まれる遷移元素Crの原子1個のスピンを対象とした研究を行い、ドット中の単一Crスピンは励起子との交換相互作用を通じて光によりアクセス可能であり、かつ格子歪と強く結合しているという特性を明らかにした。本研究課題は、これらの特性を活かして、Crスピンと格子振動との相互作用の様相を解明し、格子振動によるスピンの変調および制御を実験的に検証することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、フランス国立科学研究センター(CNRS)のネール研究所のL. Besombesらとの共同研究により、半導体ドット中の単一磁性スピンの種々の振舞い、特に格子歪との結合の様態を明らかにし、格子振動によるスピンの変調と制御を実現し、格子振動を媒介としたスピン間の量子情報伝達への道を拓くことを目的としている。今年度は以下の研究を行った。
前年に引き続き、CdTe/(Cd,Mg)Te単一量子井戸(SQW)における励起子の零次元閉じ込め構造の作製と光物性測定を行った。これは従来作製して来たCdTe自己形成ドット(SAD)に代わり、SQWのCdTe井戸層幅の揺らぎにより励起子を面内でも閉じ込め、零次元に束縛された励起子と単一磁性スピンとが相互作用する系を実現するものである。SQWではSADと異なり格子歪がほとんどなく、零次元に閉じ込められた励起子および磁性スピンは格子歪の影響を受けないという特徴を有する(無歪ドット－ SFD)。今年度はこのSFDに磁性元素としてCrの代わりにFeを添加した試料を作製し、顕微フォトルミネッセンス測定を行い、単一Feスピンとの交換相互作用により分裂した励起子発光スペクトルを見出した。観測された発光スペクトルの磁場および直線偏光依存性をCdTeの歪の無い結晶中のFe2+準位の計算結果と比較した結果、観測された発光スペクトルは、励起子分子(biexciton)からの発光であり、単一Feスピンとの交換相互作用により分裂したものであると同定された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

CdTe/(Cd,Mg)Te QW構造において単一Feスピンとの相互作用に伴うと思われる励起子発光線の分裂を観測することに成功したため。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、励起子と単一Feスピンとの相互作用による発光スペクトルの分裂が観測される試料を作製し、表面弾性波(SAW)によるFeスピン状態の変調の観測を試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CNRS, Neel Institut(フランス)
• [Int'l Joint Research] CNRS, Neel Institut(フランス)
• [Int'l Joint Research] CNRS, Neel Institut(フランス)
• [Int'l Joint Research] CNRS, Neel Institut(フランス)
• [Journal Article] Coupling of the triplet states of a negatively charged exciton in a quantum dot with the spin of a magnetic atom (2023)
  • Author(s): L. Besombes, S. Ando, S. Kuroda, H. Boukari
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 23 Pages: 235305-235305
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.235305
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin dynamics of positively charged excitons in Cr+-doped quantum dots probed by resonant photoluminescence (2022)
  • Author(s): V. Tiwari, M. Arino, S. Gupta, M. Morita, T. Inoue, D. Caliste, P. Pochet, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 4 Pages: 45308-45308
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.045308
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hole-Cr+ nanomagnet in a semiconductor quantum dot (2021)
  • Author(s): V. Tiwari, M. Arino, S. Gupta, M. Morita, T. Inoue, D. Caliste, P. Pochet, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.l041301
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Feを添加したCdTe/(Cd,Mg)Te量子井戸構造の作製と光学特性評価 (2023)
  • Author(s): 安藤 舜、黒田 眞司、深海 宏太、蓬莱 健志郎、Lucien Besombes、Herve Boukari
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] CdTe/(Cd,Mg)Te量子井戸における零次元励起子の単一Feスピンとの相互作用 (2023)
  • Author(s): 安藤 舜、黒田 眞司、深海 宏太、蓬莱 健志郎、Lucien Besombes2
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Coupling of the triplet states of a negatively charged exciton in a quantum dot with the spin of a magnetic atom (2023)
  • Author(s): L. Besombes, S. Ando, S. Kuroda, H. Boukari
  • Organizer: 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical control of a hole-Cr+ nano-magnet in a semiconductor quantum dot (2023)
  • Author(s): L. Besombes, V. Tiwari, H. Boukari, S. Ando, S. Kuroda, S. Gupta, D. Caliste, P. Pochet
  • Organizer: 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CdTe 自己形成ドット中の Cr の荷電状態の ESR による検出 (2023)
  • Author(s): 井上 智貴、安藤 瞬、稲井 聡志、塩川 凛人、丸本 一弘、H. Boukari、L. Besombes、黒田 眞司
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Cr を添加した CdTe 自己形成ドットの ESR 測定 (2022)
  • Author(s): 井上 智貴、安藤 瞬、稲井 聡志、塩川 凛人、丸本 一弘、ボウカリ エルベ、ビソンブ ルシアン、黒田 眞司
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Cr原子を添加したCdTe/ZnTe量子井戸における零次元励起子の発光スペクトル (2022)
  • Author(s): 井上 智貴、森田 真衣、安藤 瞬、黒田 眞司、Vivekanand Tiwari、Herve Boukari、Lucien Besombes
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Crを添加したCdTe量子井戸の作製と光学特性評価 (2021)
  • Author(s): 森田 真衣、井上 智貴、安藤 瞬、黒田 眞司、Vivekanand Tiwari、Herve Boukari、Lucien Besombes
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Crを添加したCdTe量子井戸の作製と光学特性評価 (2021)
  • Author(s): 森田 真衣、井上 智貴、安藤 瞬、黒田 眞司、Vivekanand Tiwari、Herve Boukari、Lucien Besombes
  • Organizer: 第26回半導体スピン工学の基礎と応用