2020 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) |
藤田 高史 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00809642)
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 | 相互量子状態変換 / 量子ドット / スピン / 光子 / 平面pn接合 / スピンバルブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光子対から電子スピン対へのもつれ変換実験では、光子―スピン変換効率が低くいため、長時間、信号を取得し続けることが必要である。そこで光照射下でも長時間安定な量子ドットの候補として不純物を添加しないアンドープ量子ドットを使い、光生成電子スピンの検出に必須のパウリスピン閉塞効果をアンドープ電子量子ドットとして世界で初めて観測した。さらに光生成単一電子検出を達成し、アンドープ量子ドットが量子インターフェースとして動作することを示した。また光照射によりゲート電圧の連続的なシフトが起こることが明らかになったが、能動的な電圧調整で安定させる方針を得た。そのシフトの原因にゲート絶縁膜と半導体との界面準位が関与していると推測しており、より光安定性の高い量子ドット作製への指針も得られた。
電子スピン状態から光子への変換では、アンドープ量子井戸を使ってゲート電圧で平面pn接合を誘起し、量子ドットを含む平面LEDの実現を目指している。今年度は、アンドープGaAs量子井戸中に表面金属ゲートで誘起する面内p-i-n接合の開発に取り組んだ。昨年度までp領域へのオーミックコンタクト電極形成が課題であった。解決法としてオーミック材料とアニール温度の最適化を行い、電界誘起ｐ領域を実現できた。さらにアンドープGaAs量子井戸基板に2DEG、2DHGをゲート電圧によって同時に誘起することに成功し、明瞭な整流性と電気的発光（EL）が確認できた。
Geスピンバルブ素子を用いて面直方向から入射した円偏光(スピン注入)に対してスピン蓄積状態を反映したスピン信号の変化を観測するため、Ge上の垂直磁化膜の作製・評価を行った。基板温度を室温とすることができるCoPt系、CuNi系、CoPd系などの多層膜構造を検討した結果、ホイスラー合金上への垂直磁化特性としてはCoPd系積層膜が垂直磁化膜として有望であることを確認した。
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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
今年度、これまで課題であったｐ型電極作製法に関して、文献調査をもとに適切な電極材料選択とアニール温度を高温化を試し、ｐ型電極作製法を確立することができた。その結果、アンドープ量子井戸中に電界で2次元正孔ガスを誘起することに成功し、p-i-n接合として整流性と発光を観測でき、これまでｐ型電極の問題でやや遅れていたが、研究が大きく進展した。これにより次年度、スピン状態を光子へ変換する平面LED構造の実現にむけ、開発した平面p-i-n構造に量子ドットを組み込むことに着手する。
現状は光子―スピン変換の効率が低いため、光子対からスピン対へのもつれ変換測定では、長時間かけて信号を取得することが必須である。しかし通常の不純物添加による２次元電子系では永続的キャリア蓄積により、最終的には量子ドットが形成できなくなるなど光照射特有の問題があり、その解決を図ってきた。今年度、光照射下で長時間安定して動作し、連続して光子―電子スピン変換を可能にするアンドープ量子ドットの作製技術を確立し、アンドープ電子量子ドットでスピン検出に必須のパウリスピン閉塞と、単一光子が量子ドットに生成した光生成単一電子検出を実現した。さらにゲート電圧の調整により光照射下でも量子ドット動作を安定化できることを示したことは大きな進展である。今後、もつれ変換実験などより高度な実験を可能にする量子ドットとして期待できる。パラメトリック下方変換によるもつれ光子対源の開発は遅れているが、次年度、もつれ変換実験を行うために必要な一つの技術課題が解決できたことは重要な成果である。
Geスピンバルブ素子で通信波長帯の円偏光照射に対するGeスピン素子の応答を得るため、垂直磁化膜/スピン注入源の積層構造を用いた素子の作製に着手している。既に有望な垂直磁化膜の検討は終わっており、素子作製プロセスの検討を始めているため、大きな遅れはない。
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| Strategy for Future Research Activity |
2つのアンドープ量子ドットを使ったもつれ変換実験を行う。まず光照射下で刻々と変化する量子ドットのゲート電圧にフィードバック制御を行い、量子ドットの電荷・スピン状態を安定させる方法を開発する。また構築が遅れているもつれ光子対源は、最近販売された商用のもつれ光子対源を導入し早急に解決を図る。今年度中に、研究室所有の2つの希釈冷凍機中にアンドープ量子ドットをそれぞれ設置し、もつれ光子対源からの光子を照射して、電荷信号の同時計測を行い、もつれ光子から、2つの量子ドット中の電子対さらにスピン対の検出を行うことで、もつれ光子対からスピン対が生成できることを実証する。
平面p-i-n接合にゲート制御量子ドットを配置した試料を作製し、電気伝導とエレクトロルミネッセンスの測定を行い、量子ドットからの発光を実証する。整流特性と発光に量子ドットのゲート電圧操作によるクーロン振動に対応する電流変調あるいは発光強度の変調を観測することで、量子ドットの形成と、量子ドットを介したp-i-n接合が実現できていることを確認する。今年度構築した発光測定システムを磁場下で偏光素子が扱えるように改良し、磁場下のスピン偏極した量子ドットの状態からの発光の観測を試みる。またスピン状態から光子偏光状態への量子状態変換のため(110)基板上のアンドープ量子井戸を使った素子の作製や、単一光子検出器を使った、ソースドレイン電圧のパルス操作による単一光子検出を試みる。
Geスピンバルブ構造については、垂直磁化膜を用いたスピンバルブ素子の微細素子作製プロセスを確立し、Ge中のスピン伝導(蓄積)が達成され、その素子を利用した円偏光スピン注入の検出実験を実施する。光学的スピン注入効果をスピン蓄積信号の増減により検出することが可能となるため、Ge系における光子―電子スピン量子状態変換の知見を得ることができる見込みである。
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