半導体量子構造の平衡・非平衡電子ダイナミクスの解明と量子制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13002002
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小宮山 進 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (00153677)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 生嶋 健司 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 助手 (20334302)
• Keywords: 遠赤外イメージング / 端状態 / 量子ドット / 量子ドット / 単一光子検出 / 核スピン / 非平行電子分布

Research Abstract

1.半導体量子構造中の非平衡電子系から生じる極微弱なテラヘルツ電磁波(遠赤外光)の高空間分解能検出において、昨年度までに開発した走査型テラヘルツ顕微鏡(4Heクライオスタットにて量子ホール検出器を使用)に新たな光学系を導入することにより、感度40倍、分解能2倍の性能を持つ新たな顕微鏡を開拓した。この顕微鏡を用いることにより、量子ホール伝導体においてエッジ状態とバルク状態間の非平衡分布に伴うサイクロトロン発光を初めて見出した。この非平衡分布はランダウ準位間の反転分布に到達している可能性があり、テラヘルツ波増幅の可能性を探求する方向性を新たに生じた。第二に3Heクライオスタットに超伝導磁石中で動作する量子ドット検出器を搭載して350mKにての単一光子検出に成功し、現有の改良型顕微鏡に比べてさらに桁違いの感度と分解能を有する顕微鏡システム構築への展望を開いた。
2.量子ホール電子系の端状態による核スピンのコヒーレント制御に関して、核スピン分極の時空間におけるプロファイルを明らかにする手法を見いだし、有効性を確認した。つまり、2次元電子系メサ構造の側面に配した微細なゲート電極にバイアス電圧を印加・挿引することにより、端状態の位置を5nm程度の再現性をもって150nm程度の範囲で挿引することができる。このことにより、核スピン分極の空間分布を10nm程度の誤差で端状態の抵抗値変化によって読み出すことができた。今後、核スピンの時間・空間軸における制御を発展させるために必要な基本的情報を得る手段が得られた。

Research Products

• [Publications] K.Ikushima: "An improved Far-infrared microscope with quantum Hall detectors"Physica E. 18. 130-131 (2003)
• [Publications] T.Machida: "Coherent control of nuclear-spin system in a quantum-Hall device"Appl.Phys.Lett.. 82. 409-411 (2003)
• [Publications] Y.Kawaguchi: "Spatial evolution of quantum Hall effect breakdown"J.Phys.Soc.Jpn.Supplement A. 72. 217-218 (2003)
• [Publications] K.Ikushima: "A highly-sensitive scanning far-infrared microscope with quantum Hall detectors"Rev.Sci.Instrum.. 74. 4209-4211 (2003)
• [Publications] Y.Kawano: "Spatial distribution of nonequilibrium electrons in quantum Hall devices : Imaging via cyclotron emission"Phys.Rev.B. 68. 85328(1)-85328(5) (2003)
• [Publications] S.Komiyama: "Application of quantum Hall edge channels"Physica E. 20. 43-56 (2003)
• [Publications] T.Machida: "Local control of nuclear polarization in a quantum Hall device"Superlattice and Microstructures. 32/4-6. 275-282 (2003)
• [Publications] T.Machida: "Local manipulation and detection of dynamic nuclear polarization using spin-resolved quantum Hall edge channels"Inst.Phys.Conf.Ser (Proceedings of the 26^<th> Int.Conf.Physics of Semiconductors). CD-ROM. (2003)
• [Publications] S.Komiyama: "Single-photon detection of THz/GHz-waves using quantum dots"Inst.Phys.Conf.Ser (26^<th> Int.Conf.Physics of Semiconductors). 171. 221-228 (2003)
• [Publications] S.Komiyama: "Playing with quantum-Hall effects and single-electron-tunneling"Superlattices and Microstructures. (in press). (2004)