量子構造半導体における励起子スピン拡散及び緩和過程のイメージング分光

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12640320
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 足立 智 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (10221722)
• Keywords: イメージング / スピン拡散 / スピン緩和 / 量子構造 / 半導体

Research Abstract

近年,スピントランジスタなど,半導体中の電子の電荷よりもスピンに着目した「スピンエレクトロニクス」研究が盛んになってきた.これらの研究は将来の情報通信分野に与える影響は計り知れないが,半導体中でのスピン緩和やスピン拡散の物理機構は,未だ十分に明らかになってはいない.この様な背景から,本研究は半導体量子構造における励起子スピンの拡散,緩和メカニズムの解明を目的とした,平成12年4月に現在の大学へ新たに赴任したため,実験に必要な装置を最初から構築することになった.装置としては,フェムト秒パルスレーザー,四光波混合測定系,およびメージング光学系が必要であるが,資金の関係からレーザーは製作し,その他は現有の光学系を組み合わせて構築した.実験はGaAs/Al(Ga)As多重量子井戸半導体およびCdTe/CdMn(Mg)Te単一量子井戸を試料として,スピン緩和と拡散を四光波混合法を用いて測定した.偏光方向が垂直な2つの励起光パルスを試料上で重ねあわせることにより,空間的に励起子スピンの方向が変調された回折格子(スピン回折格子)を生成し,時間差をつけて入射する診断光パルスの回折をモニターすることにより,格子の崩壊過程の時間発展を測定することに成功した.また位相マスクを用いることによって簡便に2つの励起光パルス間の交差角を変更することが可能である.これにより格子のフリンジ間隔を変えた測定が容易かつ再現性よくできるようになり,その傾きからスピン拡散係数を,切片からスピン緩和時間を求めた.励起光パルスの偏光が平行の場合は同様の操作で励起子密度の変化(再結合)と拡散を測定することができ,スピン拡散が3.5倍程度,励起子密度拡散より速いということを実験的に世界で初めて明瞭に示した.

Research Products

• [Publications] S. Adachi: "Real-space and real-time imaging of polariton wavepackets"Journal of Luminescence. 87-89. 840-843 (2000)
• [Publications] S. Adachi: "Optical sampling four-wave-mixing experiment for exciton relaxation processes"Optics Communications. 174. 291-298 (2000)
• [Publications] S. Adachi: "Biexcitons in CdMnTe/CdTe/CdMgTe single quantum well"Journal of Crystal Growth. 214/215. 819-822 (2000)
• [Publications] S. Adachi: "Dynamical spin properties of exciton and biexciton in CdMnTe/CdTe/CdMgTe single quantum well"Physica E. 10. 305-309 (2001)
• [Publications] S. Takeyama: "Photo-induced magnetic polarons in semiconductors"Phase Transitions. 74. 175-207 (2001)
• [Publications] H. Mino: "Biexciton spin states of diluted magnetic semiconductor quantum wells in high magnetic fields"Physica B. 298. 421-425 (2001)
• [Publications] S. Takeyama: "Photoexcited spin states in diluted magnetic semiconductor quantum structures"Physica B. 294-295. 453-458 (2001)
• [Publications] S. Adachi: "Spin diffusion and relaxation measurements by optical sampling four wave mixing technique"Proceedings in Quantum Electronics and Laser Science Conference (QELS, Baltimore). 208-208 (2001)
• [Publications] S. Adachi: "Time-resolved study of spin diffusion and relaxation in GaAs quantumwell structures"The 1st International Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SPINTECH, Hawaii). 54-54 (2001)
• [Publications] H. Sasakura: "Quantum Computation using electron spins of alternate quantum dots in series"The 1st International Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SPINTECH, Hawaii). 39-39 (2001)
• [Publications] H. Sasakura: "An elemental unit for quantum gates using electron spins in triple quantum dot"The 7th Symposium on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors (PASPS, Yokohama). 185-187 (2001)
• [Publications] K. Hazu: "Optical nonlinearities and phase relaxation of excitons in GaN"Physical Review B (4/15 掲載予定). 65. (2002)