2017 Fiscal Year Annual Research Report
Interconversion of Quantum States Between Photon and Electron Spin Using Electrically Controlled Quantum Dots
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17H06120
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木山 治樹 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (80749515)
浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 電子スピン / 光子 / 面内pn接合 / スピンバルブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．ゲート制御量子ドットを使った単一光子から単一電子スピンへの量子状態変換:単一光子から単一電子スピンへの量子状態変換と、遠隔電子スピン間の非局所もつれの実証を実現するには、信頼性の高いデータを効率よく多数測定して統計的処理をすることが必要で、そのためには量子状態変換の高能率化と光照射時の量子ドットの安定性の2つの改善が必要である。前者では励起効率が高い重い正孔を使えるように(110)GaAsという特殊面方位の量子井戸基板で量子ドットを初めて実現した。後者については光照射時の不安定性の要因となる深い欠陥準位を抑制するため、Siドーパントを含まないアンドープ量子井戸にゲート電圧で2次元電子を誘起して量子ドットを誘起する方法を試みている。まだその実現に至っていないが、必要なプロセス技術はほぼ確立しつつある。今後の研究の主舞台となる無冷媒希釈冷凍機を導入した。
２．Geスピンバルブにおける円偏光光子から電子スピンへの変換:強磁性/ゲルマニウムスピンバルブ素子において、スピン蓄積信号の高感度検出を実現するための界面設計(抵抗値の最適化)を行った。
３．ゲート制御量子ドットと平面pn接合を組み合わせたエレクトロルミネッセンスの実現:ゲート電圧で電子と正孔をそれぞれ誘起する平面pn素子の実現を目指し、１．の2次元電子に加え、2次元正孔のゲート電圧誘起を目指した。１．の2次元電子と同様に、オーミック電極などプロセス技術を確立したが、ゲート電圧による正孔誘起は室温でも低温でも確認できていない。
４．電気的に制御された単一電子スピン状態から単一光子偏光状態への量子状態変換:電子スピンから光子偏光へコヒーレントに再結合させるため、p型領域からエネルギーが低い重い正孔のスピンの重ね合わせ状態の注入が必要であり、これは１．で実現した(110)基板を用いることで可能であることを検討した。
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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
本研究では、変換された量子状態やもつれ相関の実証には、信頼性の高いデータを効率よく多数測定して統計的処理をすることが必須で、そのためには量子状態変換の高能率化と光照射時の量子ドットの安定性を改善した新しい量子ドットを開発することが重要な課題の一つであり、励起効率が高い(110)GaAs量子ドットを実現し、アンドープ量子井戸基板を用いた2次元電子・2次元正孔系のゲート誘起型素子のプロセスをほぼ確立できたことは大きな進展である。後者についてはまだキャリアをゲート電圧で誘起することまで実現できていないが、原因にもめどが立っており、次年度早期に解決することを予定している。
最終目標の単一電子スピンから単一光子偏光へのコヒーレントな変換では、p型領域からエネルギーが低い重い正孔のスピンの重ね合わせ状態を注入が必要であり、これは(110)基板を用いることで可能であることを着想した。これは研究室で(110)量子井戸を使った量子ドットの形成に平成29年度に成功した実績を受けて達成した成果で、当初の計画よりも早く、この課題について研究の方針を決定することにつながった。
また強磁性/ゲルマニウムスピンバルブ素子において，スピン蓄積信号の高感度検出を実現するための界面設計(抵抗値の最適化)を行うことができたことは。今後の研究の指針となる。
また本研究の主舞台となる希釈冷凍機と発光測定用分光器と検出器を速やかに導入し、必要な実験装置や実験環境が整いつつあり、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．ゲート制御量子ドットを使った単一光子から単一電子スピンへの量子状態変換: 昨年度実現した(110)GaAs量子ドットを使い、量子状態変換の実験を開始し、重い正孔励起により電子スピン励起の高効率化を実証する。また早期に、ゲート誘起による2次元電子系デバイスの実現とその評価を行い、量子ドット作製へと移行する。昨年はアンドープ量子井戸を用いているが、別方法として、一端的なSiドープ量子井戸からエッチングでSiドープ層を取り除く方法も試みる。アンドープの場合、オーミック電極と誘起された2次元電子を接続するかが難しさであるが、この方法ではすでにここは電気的接触が確保できているので、比較的容易にSiドナーを持たない2次元電子系が実現できると期待する。また、単一光子検出器を購入し、もつれ光子対源の構築にも着手するほか、高周波電荷検出や電子スピン操作のための高周波系の構築など、必要な実験環境の整備も継続してゆく。
２．Geスピンバルブにおける円偏光光子から電子スピンへの変換:ゲルマニウム縦型素子において、強磁性層上にn形ゲルマニウムを作製する手法を確立し光照射下におけるスピン蓄積信号の高感度変調を試みる。
３．ゲート制御量子ドットと平面pn接合を組み合わせたエレクトロルミネッセンスの実現:アンドープ量子井戸を継続して用い、ゲート電圧で2次元電子と2次元正孔のゲート電圧で誘起する平面pn素子の実現を、引き続き目指す。n型誘起の場合と同じように、ゲート絶縁膜の種類の選定や成膜の前のGaAs基板の表面処理などで改善を図る。
４．電気的に制御された単一電子スピン状態から単一光子偏光状態への量子状態変換: ｐ領域に(110)GaAs量子ドットの重い正孔を使うことを着想したが、その理論検討を進め、デバイスの設計を行う。
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Research Products
(44 results)
