2016 Fiscal Year Annual Research Report
単一もつれ光子対－電子対変換における量子相関保存の実証
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16J03037
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
黒山 和幸 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子効率 / 二重量子ドット / 励起子 / ブラッグ反射器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、GaAs/AlGaAs横型二重量子ドットの試料作製およびその性能評価を行った。昨年度に使用した測定試料においては、①量子ドットにおける光電子の検出感度が低いこと、②量子効率が低いこと、③低い量子効率のために軽い正孔の共鳴励起波長の特定が困難であったこと、以上三つの問題が明らかになった。特に②に関しては、量子効率の向上を見込んで量子井戸基板に分布ブラッグ反射器構造(DBR)を導入したにもかかわらず、その効果が得られなかった。
まず課題①については、光電子の検出を行う電荷計周辺の高周波回路を小型化した。それにより、高周波の電荷計へ至る伝送距離を短縮し、伝送中に受ける電気抵抗を低減するした。その結果、電荷計の電子検出感度は約2倍向上し、電荷検出時間の短縮化を実現した。
次に、量子効率の改善を以下の方法により行った。我々の測定試料では量子井戸に形成された量子ドットの直上に透過窓を設けた金属製の遮光マスクを蒸着している。これは量子ドット以外の領域への光子照射を防ぐためである。量子ドットを形成する微細電極と遮光マスクとは異なる過程で作製されるので、それらの位置合わせが重要になる。そこで位置合わせの方法を変更したところ、昨年度の50倍程度の量子効率の向上が得られた。DBR構造が埋め込まれた量子井戸基板上に形成された量子ドットにおける光電子補足効率の定量的な評価を行った実験は、これまで報告がなく、極めて重要な結果である。
最後に、単一光電子補足効率の入射光子エネルギーに関するスペクトルを測定した。結果、重い正孔と軽い正孔の吸収ピークが観測されており、それらの共鳴励起のエネルギーは、事前に測定した液体窒素温度でのフォトルミネッセンス(PL)測定の結果や理論値と比較しても矛盾のない結果であることが分かった。
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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
本年度は、主に課題①と②を解決するために、測定試料の構造や表面微細電極の作製方法について幾つかの見直しが必要になった。電子線描画用のレジストや電極蒸着前の表面処理の方法を変更したために、それらの最適な条件の把握に長い時間を費やすことになった。
また、量子ドットにおける光電子の吸収ピークの線幅が測定温度の熱揺らぎと比較して大きく広がっていることが新たな問題点として明らかになった。線幅の広がりについては、①量子ドットを形成する表面微細電極やそこへ印加されるゲート電圧による静電場の影響、②量子井戸の平坦性が確保できていないこと、が原因であると考えた。②の可能性については液体ヘリウム温度環境下でのPL測定をDBR量子井戸基板に対して行い、そのスペクトルの線幅を評価した。その結果、線幅の広がりは主に基板の性質に由来していることが分かった。今後の実験においてはこの線幅を考慮した実験を行う必要があるので、推進方針にその内容を述べる。
しかし、測定試料の作製方法の変更により高感度の電荷計を実現していること、かつ、これまでの量子ドットと比較して量子効率が向上していることは、本年度の大きな成果であり、今後の実験を大きく前進させると考えている。さらには、光子照射実験を行う段階においては量子ドットの電気的な操作性能についても評価が済んでいる。現時点で他に必要になることは、電子スピンの単発読出しを行い、その精度を確認することである。これは我々のグループで盛んに研究されている内容であり、既存のノウハウにより実現可能である。また、これまでの研究成果の報告に関しては、昨年度に行った光子-電子対の生成実験について、その実験結果を論文誌へ投稿するための準備を進めている。したがって、本研究課題は順調に進展していると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に作製した二重量子ドットは、電気的な量子ドットの制御に加えて、光子照射実験による光学応答についてもその評価が済んでおり、今後の光子対による電子対生成実験を進めることができる条件を満たしていることが確認できている。さらに昨年度はもつれ光子対の一方を電子へ変換し、光子-電子対の生成にも成功している。したがって次年度は、二重量子ドットにおける電子スピン読出しと光子の偏光測定を実験系に組み込むことによって、研究計画書の三年目の内容である光子-電子対に対する偏光とスピンの相関を観測することを先に試みる。
そこでまず初めに、電子スピンの読出しを行える条件を評価することが必要となる。偏光からスピンへの変換にあたっては、外部磁場が印加されたGaAs量子井戸におけるゼーマン分離した軽い正孔の準位を選択的に共鳴励起する必要がある。そのためには、軽い正孔の結合・反結合準位の混合を防ぐために、ゼーマン分離のエネルギー幅を吸収ピークの線幅よりも広げる必要がある。しかし、高磁場を印加すると電子スピンの縦緩和時間が短くなることが知られている。よって、スピンの保持時間がスピン読出しに必要な最小時間よりも長くなる条件で、可能な限り大きな磁場を印加することが望ましい。そこで、現在我々は量子ドットにおける縦緩和時間の磁場依存性について評価を進めており、印加できる最大の磁場強度を明らかにする。
次に、光子対の量子状態を評価する。昨年度の光子対源の構築にあたって光子対の発生とその偏光相関については観測が成功しているので、次の段階として量子もつれ相関を偏光の密度行列を測定することにより定量的に評価する。
以上の二項目を達成したうえで偏光-スピン相関の生成実験を行う。
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