2018 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)
藤田 高史 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00809642)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 相互量子状態変換 / 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 |
大岩は、東京大学との共同研究で、単一電荷検出により直線偏光単一光子から単一電子スピンへの重ね合わせ変換を実現し、理論提案された励起方法により量子状態転写が実現できる証拠をつかんだ。その実証のため、マイクロ波電子スピン操作を組み合わせ、転写されたスピン状態のトモグラフィーを行う実験のセットアップを構築した。
大岩と藤田は、スピン状態トモグラフィーのような高度な実験のために、長時間光照射を行ってもキャリアの永続的な蓄積により量子ドットの状態が変化しないよう、ドーパントを添加しないアンドープ量子井戸にゲート電圧で2次元電子を誘起することに成功し、光照射を行って量子ドットが安定して動作する条件を見出した。これに従ってアンドープ量子井戸にゲート制御量子ドットを作製し、動作の確認が進行中である。この電界誘起2次元電子素子の作製では、新しい独自方法も取り入れ、2種類の作製方法で成功した。また同じ案ドープ量子井戸を用い面内pn素子の開発を行ったが、p型領域のオーミック接触に問題があり、正孔の電圧誘起を確認することはできず、当該年度内にpn接合とそのエレクトロルミネッセンスを実現することはできなかった。しかしp型2次元電子基板で条件を確立し、問題を解決する方針がった。
また、単一光子検出器の納品に遅れが生じ、パラメトリック下方変換系の構築に遅れが出た。
その他、木山は、InAs自己形成ドットとして初めて電荷検出に成功した。
浜屋は、ゲルマニウムを利用した光-スピン量子状態変換の実証に向けて、ゲルマニウム系スピンバルブ素子(縦型及び横型)に対して、通信波長帯の光を照射する系を構築し、光照射前後にスピン信号の変化を観測することに成功した。
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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
光子から電子スピンへの量子状態変換の証拠が得られたことは大きな進展であり、後半に向け、光子対から電子スピン対へのもつれ相関変換へ研究を進める目途がたった。またアンドープ量子井戸における2次元電子系のゲート電圧誘起に成功し、光照射に対する2次元電子系の安定性と量子ドットを形成した時の光照射耐性について情報を得たことも順調な進展である。面内pn接合はまだ実現できていないが、プロセスの問題点はほぼ解決している。スピンからゲルマニウムスピンバルブ素子における円偏光照射時の応答を検討する準備が整ったことも理由の一つである。また単一電荷計測は光子―電子スピン変換の重要な技術であるが、当初予定にはなかったがInAs自己形成ドットでこれを世界で初めて実現し、本研究のための量子ドット材料と光－スピン変換の新しい可能性を拓いた。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子状態変換の実証に大きな進展があり、その実現にめどが立ちつつあるので、その先のもつれ変換の実験にも重点を置く。その研究のために必要なアンドープ量子井戸中のゲート制御量子ドットを早々に形成し、連続した光子照射下での光子―電スピン変換実験を早期に実現するとともに、パラメトリック下方変換系を構築し、もつれ光子対の生成を完了する。並行して変換された電子スピンの操作を実現し、スピン状態トモグラフィー測定により量子状態転写の実証も試みる。
またアンドープ量子井戸でゲート電圧誘起2次元正孔系を実現し、横型pn接合とエレクトロルミネッセンスの観測を早期に実現する。プロセスは昨年度ほぼ確立できているが万が一、うまく正孔が誘起できない場合には、早期に見通しを判断し、別の量子井戸構造を採用する。
円偏光照射時の高効率スピン偏極生成のために、ゲルマニウムチャネル構造に歪みを印加したり、GeSnなどの直接遷移型材料を利用するなどの工夫を施す予定である。また、光生成スピンを高感度にスピン検出できるように、スピン信号強度の大きなゲルマニウム素子を開発・利用する。
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[Journal Article] Photogeneration of a single electron from a single Zeeman-resolved light-hole exciton with preserved angular momentum2019
Author(s)
K. Kuroyama, M. Larsson, C. Y. Chang, J. Muramoto, K. Heya, T. Fujita, G. Allison, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, S. Matsuo, A. Oiwa, and S. Tarucha
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 99
Pages: 085203/1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Correlation between spin transport signal and quality of the Heusler-alloy/semiconductor interface in lateral spin-valve devices2018
Author(s)
B. Kuerbanjiang, Y. Fujita, M. Yamada, S. Yamada, A. M. Sanchez, P. J. Hasnip, A. Ghasemi, D. Kepaptsoglou, G. Bell, K. Sawano, K. Hamaya, and V. K. Lazarov
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 98
Pages: 115304/1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Charge transport through quantum dits formed in a (110) quantum well2019
Author(s)
[18] T. Nakagawa, R. Fukai, Y. Sakai, T. Fujijta, H. Kiyama, T. Nakajima, J. Ritzmann, A. Ludwig, A. D, Wieck, S. Tarucha, and A. Oiwa
Organizer
平成30年度ナノスピン変換科学年次報告会
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[Presentation] Transport through quantum dots formed in a (110) GaAs quantum well2018
Author(s)
T. Nakagawa, R. Fukai, Y. Sakai, T. Fujita, H. Kiyama, T. Nakajima, J. Ritzmann, A. Ludwig, A. D. Wieck, S. Tarucha, and A. Oiwa
Organizer
Spin qubit 4
Int'l Joint Research
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