量子ドットにおける超放射現象と位相緩和

• Project Area: Optical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
• Project/Area Number: 23104724
• 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: Keio University
• Principal Investigator: 江藤 幹雄 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (00221812)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2012: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2011: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 量子ドット / メゾスコピック系 / 量子エレクトロニクス / 電子格子相互作用 / 超放射 / 非平衡輸送現象

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、量子ドット集合系におけるボソン場を介した電子相関の生成、およびそれに起因する新奇物理現象の理論的解明である。平成24年度は、２重量子ドットにおける電子と光学フォノンの結合に関して次の研究成果を上げた。
１．２重量子ドットの電気伝導による光学フォノンレーザーという新しい理論を作った。ドット間のエネルギー準位差を光学フォノンのエネルギーに一致させ、電気伝導に伴うフォノンの放出を考える。量子ドット中の電子と結合する半導体基板中の光学フォノンは、分散関係が無視できるため拡散せず、それ自体がキャビティの役割をする。したがって、フォノンを閉じ込めるキャビティの作製は不要である。電子の反転分布は、有限バイアス下の電流によって実現される。量子ドットとリード間のトンネル率がフォノンの崩壊率より大きいときにフォノンレーザーが発振すること、逆の場合はフォノンのアンチバンチングが生成されることを、数値計算と解析解の導出の両者によって示した。この理論は NEMS（ナノメートルスケールの機械構造を持つデバイス）への応用等の進展が期待される。成果をまとめた論文はJ. Phys. Soc. Jpn.誌の注目論文（Editors' choice）に選ばれた。
２．２重量子ドットをカーボンナノチューブ上に作製したときの電子と振動モードの結合について調べ、フォノンレーザーの可能性を議論した。この場合、電子格子相互作用が強過ぎて、Frank-Condon効果によってレーザー発振やアンチバンチング生成が困難であることがわかった。
３．１のテーマと関連して、２重量子ドットでの光学フォノンの放出が電気伝導に与える影響を評価した。理研の大野、天羽両博士による実験結果を定性的に説明することに成功した。現在、共著の論文を準備中である。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optical Phonon Lasing in Semiconductor Double Quantum Dots (2013)
  • Author(s): Rin Okuyama, Mikio Eto, Tobias Brandes
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Issue: 1 Pages: 013704-013704
  • DOI: 10.7566/jpsj.82.013704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent and incoherent current drag in coupled quantum dots (2012)
  • Author(s): Jiyu Kushihara, Rin Okuyama, Mikio Eto
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 400 Issue: 4 Pages: 042037-042037
  • DOI: 10.1088/1742-6596/400/4/042037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superradiance in transport through ensemble of double quantum dots (2012)
  • Author(s): Rin Okuyama, Mikio Eto
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 400 Issue: 4 Pages: 042049-042049
  • DOI: 10.1088/1742-6596/400/4/042049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Aharonov-Bohm effect on Wigner molecules in type-II semiconductor quantum dots (2011)
  • Author(s): R. Okuyama, M. Eto, and H. Hyuga
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: Vol.83 Issue: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.195311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetoluminescence from trion and biexciton in type-II quantum dot (2011)
  • Author(s): R. Okuyama, M. Eto, and H. Hyuga
  • Journal Title: Nanoscale Research Lett. Volume: Vol.6 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/1556-276x-6-351
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aharonov-Bohm effect on trion and biexciton in type-II semiconductor quantum dot (2011)
  • Author(s): R. Okuyama, M. Eto, and H. Hyuga
  • Journal Title: AIP conf. proc. Volume: Vol.1399 Pages: 415-416
  • DOI: 10.1063/1.3666430
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Optical Phonon Lasing in Transport through Semiconductor Double Quantum Dots (2013)
  • Author(s): R. Okuyama, M. Eto, and T. Brandes
  • Organizer: Annual APS March Meeting
  • Place of Presentation: Baltimore, MD, USA
  • Year and Date: 2013-03-22
• [Presentation] 量子ドットにおける超放射現象と位相緩和 (2012)
  • Author(s): 江藤幹雄
  • Organizer: 第７回半導体における動的相関電子系の光科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2012-12-26
• [Presentation] 二重量子ドットにおける光学フォノンレーザー (2012)
  • Author(s): 奥山倫、江藤幹雄、T. Brandes
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] Phonon Lasing in Transport through Double Quantum Dots (2012)
  • Author(s): R. Okuyama, M. Eto, and T. Brandes
  • Organizer: 31st International Conference on the Physics of Semiconductors
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2012-08-02
• [Presentation] Optical Phonon Lasing in Semiconductor Double Quantum Dots (2012)
  • Author(s): M. Eto
  • Organizer: International Workshop on Molecular Electronics
  • Place of Presentation: Jerusalem, Israel
  • Year and Date: 2012-07-02
  • Invited
• [Presentation] 二重量子ドットの非平衡輸送現象における光学フォノンの影響 (2012)
  • Author(s): 山田亮弘、奥山倫、江藤幹雄
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] 二重量子ドットの非平衡輸送現象における光学フォノンのダイナミクス (2012)
  • Author(s): 奥山倫、江藤幹雄、T.Brandes
  • Organizer: 日本物理学会第67回年次大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] Transport through double quantum dot with electron-LO-phonon interaction (2012)
  • Author(s): A.Yamada, R.Okuyama, M.Eto
  • Organizer: Annual APS March Meeting
  • Place of Presentation: Boston, MA, USA
  • Year and Date: 2012-02-29
• [Presentation] 量子ドットにおける超放射現象と位相緩和 (2012)
  • Author(s): 江藤幹雄
  • Organizer: 第6回半導体における動的相関電子系の光科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-01-06
• [Presentation] Superradiance in Transport through Ensemble of Double Quantum Dots (2011)
  • Author(s): R.Okuyama, M.Eto
  • Organizer: 26th International Conference on Low Temperature Physics
  • Place of Presentation: 北京
  • Year and Date: 2011-08-16
• [Presentation] Coherent and Incoherent Current Drag in Coupled Quantum Dots (2011)
  • Author(s): J.Kushihara, R.Okuyama, M.Eto
  • Organizer: 26th International Conference on Low Temperature Physics
  • Place of Presentation: 北京
  • Year and Date: 2011-08-13
• [Presentation] Semiconductor quantum dots with spin-orbit interaction (2011)
  • Author(s): M.Eto
  • Organizer: 6th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
  • Place of Presentation: 松江(招待講演)
  • Year and Date: 2011-08-02
• [Presentation] 量子ドットにおける超放射現象と位相緩和 (2011)
  • Author(s): 江藤幹雄
  • Organizer: 第5回半導体における動的相関電子系の光科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2011-06-14
• [Presentation] 2重量子ドット並列系の輸送現象における超放射 (2011)
  • Author(s): 奥山倫
  • Organizer: 第5回半導体における動的相関電子系の光科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2011-06-13
• [Presentation] Entanglement generation by superradiance in ensemble of double quantum dots (2011)
  • Author(s): R.Okuyama, M.Eto
  • Organizer: International Conference on Quantum Information Processing and Communication 2011
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
• [Remarks] 慶應義塾大学理工学部物理学科江藤幹雄
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/faculty/eto/eto.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/faculty/eto/eto.html