| Project/Area Number |
23K23249
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| Project/Area Number (Other) |
22H01981 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
森田 健 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30448344)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 克彦 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20375158)
揖場 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90647059)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
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| Keywords | 高次光子 / 高次スピン / コヒーレント転写 / 高次電子スピン / コヒーレンス転写 / V型3準位系 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、空間構造を持つ高次光子の量子状態を、半導体中の電子スピン系に転写し、新規な高次スピン状態を実現することを目的とする。本研究によって、高次光子と半導体における高次電子スピン間の量子メディア変換を実現する。これらの研究は高次元空間の異なる量子媒体間の状態転写であり、将来の量子中継技術において重要な役割を担う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
22年度は、高次光子における偏光（スピン角運動量SAM）の空間構造を半導体中の電子スピン系にコヒーレントに転写することに成功した。これは、高次光子を利用することで、幾何学的なスピン空間構造をもつ電子スピンを実現できることを意味する。しかし、高次光子における偏光空間構造は、軌道角運動量（OAM）が起源である。SAMとOAMの両方を持つ高次光子の量子状態の電子スピン系への完全コヒーレント転写を実現するためには、OAMそのものの量子転写も行う必要がある。
当該年度はl=+1とl=-1の２つのOAMパルスを持つ光を、スピンのコヒーレンス時間が保たれている時間に照射し、スピンの空間分布におけるOAMの干渉パターンがどのほどの時間維持できるのか、について調べた。試料は空間構造のコヒーレント転写に成功したGaAs/AlGaAs量子構造を用い、室温で行った。その結果、二つのOAMパルスが時間的に重なるΔt=0のときは電子スピンの空間分布に干渉パターンが現れた。しかし、二つのOAMパルスに時間差をつけてΔt > 1 psにすると、干渉パターンがすぐに消えてしまうことがわかった。これは今回用いた実験条件では、電子スピンが持つOAMのコヒーレント時間が極めて短く、OAMそのものの量子状態の転写を実現することが難しいことがわかった。
閉じ込められていない量子井戸における電子スピンのOAMは、連続的に存在できることがわかっている。そのため実験を成功するためには、量子ディスク構造のような閉じ込めた系を用い量子化されたOAMを利用する必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高次光子における偏光（スピン角運動量SAM）の空間構造を半導体中の電子スピン系にコヒーレントに転写することに既に成功している。これは、高次光子を利用することで、幾何学的なスピン空間構造をもつ電子スピンを実現できることを意味し、順調に進展していることを意味する。
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| Strategy for Future Research Activity |
動径方向に閉じ込められていない量子井戸中の電子のOAMは、連続的（無限）に存在する。そのため、高次光子よって生成された電子スピンのOAMはすぐに緩和してしまった可能性がある。次年度では量子ディスクのような円筒状に閉じ込めた系を用いて実験する。量子ディスク構造を用いることでエネルギー的に孤立したOAMを利用することができ、OAMのコヒーレンス時間を長くできると考えた。エネルギー的に孤立したOAMを用いるためには、量子ディスク構造を数100nmレベルまで小さくする必要があり、それにあわせて励起する高次光子のビームも対物レンズで集光する必要がある。温度も極低温（4.5 K）で実施し、より長いコヒーレンス時間が保たれる系を用い、SAMとOAMの完全コヒーレント転写を実現する。
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