異種g因子2重量子ドットを用いた電子スピン・核スピン制御の研究

• Project Area: Quantum cybernetics - interdisciplinary studies of quantum controls and developments toward quantum computing
• Project/Area Number: 22102505
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 大野 圭司 独立行政法人理化学研究所, 河野低温物理研究室, 専任研究員 (00302802)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2011: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2010: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 量子ドット / 半導体 / g因子 / 核スピン / 半導体量子ドット

Research Abstract

本研究計画は、電子スピン量子ビットに対する核スピン量子メモリを最終目標とし、互いに異なる電子スピンg因子をもつ2つの量子ドットが結合した系(異種g因子2重量子ドット)におけるスピンプロッケード効果と核スピン効果を探求するものである。
平成23年度は計画どおり、設備備品費で購入するDCパスル発生器を測定系に組み込み、既設のrf交流磁場導入用の高周波用同軸線に加え、最短でナノ秒までのDCパルスを導入できる同軸線を新たに冷凍機に導入し、特定の電子スピン3重項状態から電子スピン1重項状態への選択的電子スピン・核スピン散乱が起こるソースドレイン電圧値とこれ以外の値の間をDCからGHz帯までの幅広い時間スケールでスイッチすることでドット内の核スピンが一方方向へ偏極してゆくダイナミクスの時間分解測定を行った。その結果、1-10MHz帯のDCパルス列を印加した際の核スピン状態が、偏極状態と非変局状態の2状態の間を測定毎にstocasticに遷移するという新規な現象を観測した。これはマクロに区別できる2つの偏極状態の巨視的重ね合わせ状態が生成されている可能性を示すものとして興味深く、核スピン量子メモリへの応用を視野に入れたさらなる研究の対象になりうるものと考える。
また本研究で開発された核スピンの電気的制御・検出手法を応用することで、異種g因子2重量子ドットで一方のドットにのみ少量含まれるIn原子のNMRシグナルを電気的に検出することにも成功している。ドットに含まれるIn原子はわずか10,000個であり、この手法が従来のNMRにくらべ非常に高感度であることを示した。

Research Products

• [Journal Article] Electrical Detection of Nuclear Magnetic Resonance Signal of Nuclear Spins of order 10^4 in a Semiconductor Double Quantum Dot (2012)
  • Author(s): R.Takahashi, K.Kono, S.Tarucha, K.Ono
  • Journal Title: Appl.Phys.Exp. Volume: 5 Pages: 25002-25002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of Rashba coupling in vertical In0.05Ga0.95As/GaAs quantum dots (2012)
  • Author(s): S.M.Huang, A.O.Badrutdinov, L.Serra, T.Kodera, T.Nakaoka, N.Kumagai, Y.Arakawa, D.A.Tayurskii, K.Kono, K.Ono
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Pages: 85325-85325
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Series-coupled Triple Quantum Dot Molecules (2012)
  • Author(s): S.Amaha, T.Hatano, W.Izumida, S.Teraoka, K.Ono, K.Kono, S.Tarucha, G.C.Aers, J.A.Gupta, D.G.Austing
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 51
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voltage-Selective Bidirectional Polarization and Coherent Rotation of Nuclear Spins in Quantum Dots (2011)
  • Author(s): R.Takahashi, K.Kono, S.Tarucha, K.Ono
  • Journal Title: Phys.Rev.Lett. Volume: 107 Pages: 26602-26602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Level broadening effect in electron tunneling through double quantum dots with different g factors (2011)
  • Author(s): S.M.Huang, Y.Tokura, H.Akimoto, K.Kono, J.J.Lin, S.Tarucha, K.Ono
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 50
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pauli Spin Blockade and Influence of Hyperfine Interaction in Vertical Quantum Dot Molecule with Six-electrons (2011)
  • Author(s): S.Amaha, T.Kodera, T.Hatano, K.Ono, Y.Tokura, S.Tarucha, J.A.Gupta, D.G.Austing
  • Journal Title: J.Phys.Soc.Jpn. Volume: 80 Pages: 23701-23701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin bottleneck in resonant tunneling through double quantum dots with different Zeeman splittings (2010)
  • Author(s): S.M.Huang
  • Journal Title: Phys.Rev.Lett. Volume: 104 Pages: 136801-136801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Singlet-triplet mixing due to g-factor mismatch in double quantum dot
  • Author(s): R.Takahashi
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Level broadening effect in electron tunneling through double quantum dots with different g factors
  • Author(s): S.M.Huang
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 1重項スピンブロッケードと核スピンエンタングルメント2 (2012)
  • Author(s): Yu-Chen Sun, 天羽真一, Juhn-Jong Lin, 河野公俊, 大野圭司
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス、兵庫県西宮市
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 縦型二重量子ドットにおける双方向核スピン分極の定量的評価 (2012)
  • Author(s): 高橋諒, 河野公俊, 樽茶清悟, 大野圭司
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス、兵庫県西宮市
  • Year and Date: 2012-03-26
• [Presentation] 直列2重量子ドットにおける波動関数mappingとLO phonon効果 (2012)
  • Author(s): 天羽真一, 羽田野剛司, 寺岡総一郎, 大野圭司, 河野公俊, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス、兵庫県西宮市
  • Year and Date: 2012-03-23
• [Presentation] Semiconductor nano-devices for spintronics and nuclear-spintronics (2011)
  • Author(s): Keiji Ono
  • Organizer: Workshop on mesoscopic and spin physics 2012
  • Place of Presentation: 国立交通大学、新竹市、台湾(invited)
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] Rashba spin-orbit interaction due to wavefunction penetration in In0.05Ga 0.95As/GaAs quantum dots (2011)
  • Author(s): S.M.Huang, A.O.Badrutdinov, L.Serra, T.Kodera, T.Nakaoka, N.Kumagai, Y.Arakawa, D.A.Tayurskii, K.Kono, K.Ono
  • Organizer: 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2011)
  • Place of Presentation: Aichi Industry & Labor Center (WINC AICHI), Nagoya
  • Year and Date: 2011-09-30
• [Presentation] Coulomb diamonds and Two-electron Spin Blockade in Cotunneling Regime of Serial Vertical Triple Quantum Dot Device (2011)
  • Author(s): S.Amaha, W.Izumida, T.Hatano, S.Teraoka, K.Ono, K.Kono, S.Taucha, J.Gupta, D.G.Austing
  • Organizer: 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2011)
  • Place of Presentation: Aichi Industry & Labor Center (WINC AICHI), Nagoya
  • Year and Date: 2011-09-30
• [Presentation] Steady-state solution for dark states using a three-level system in coupled quantum dots (2011)
  • Author(s): T.Tanamoto, K.Ono, F.Nori
  • Organizer: 2011 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2011)
  • Place of Presentation: Aichi Industry & Labor Center (WINC AICHI), Nagoya
  • Year and Date: 2011-09-30
• [Presentation] 2重量子ドットにおける3電子スピンブロッケイド現象と核スピン効果 (2011)
  • Author(s): 天羽真一, 泉田渉, 高橋諒, 河野公俊, 樽茶清悟, D.G.Austing, 大野圭司
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋期大会
  • Place of Presentation: 富山大学、富山県富山市
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] 結合量子ドット三準位系における暗状態の定常解 (2011)
  • Author(s): 棚本哲史, 大野圭司, Franco Nori
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋期大会
  • Place of Presentation: 富山大学、富山県富山市
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] Polarization and entanglement of nuclei in quantum dots (2011)
  • Author(s): Keiji Ono
  • Organizer: 半導体量子効果と量子情報の夏期研修会
  • Place of Presentation: 八ヶ岳ロイヤルホテル、山梨県北杜市(invited)
  • Year and Date: 2011-08-28
• [Presentation] 1重項スピンブロッケードと核スピンエンタングルメント (2011)
  • Author(s): Yu-Chen Sun
  • Organizer: 日本物理学会第66回年次大会(2011年)
  • Place of Presentation: 新潟県新潟市
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] 2重量子ドットにおける3電子スピンブロッケイド現象 (2011)
  • Author(s): 天羽真一
  • Organizer: 日本物理学会第66回年次大会(2011年)
  • Place of Presentation: 新潟県新潟市
  • Year and Date: 2011-03-27
• [Presentation] Voltage-selective bi-directional nuclear spin polarization in semiconductor quantum dot devices (2010)
  • Author(s): Keiji Ono
  • Organizer: The 4th International Workshop on Solid State Quantum Computing (IWSSQC-4)
  • Place of Presentation: 上海、中国(招待講演)
  • Year and Date: 2010-12-14
• [Presentation] 量子ドットにおける核スピン制御の進展 (2010)
  • Author(s): 大野圭司
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋期大会
  • Place of Presentation: 大阪府堺市(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] 縦型二重量子ドットにおける核スピン分極の高速電圧制御 (2010)
  • Author(s): 高橋諒
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋期大会
  • Place of Presentation: 大阪府堺市
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] Bi-directional dynamic nuclear spin polarization in quantum dots (2010)
  • Author(s): R.Takahashi
  • Organizer: PASSP2010
  • Place of Presentation: 東京都文京区
  • Year and Date: 2010-08-01
• [Book] 量子ドットエレクトロニクスの最前線 (2011)
  • Author(s): 荒川泰彦, 他
  • Publisher: NTS