2019 Fiscal Year Annual Research Report
横型量子ドットによる光子偏光－電子スピン量子インターフェースの研究
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18J20764
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
深井 利央 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 表面プラズモンアンテナ / 光子 / 電子スピン / 量子状態転写 / 量子情報 / 量子通信 / 量子中継 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、半導体量子井戸基板に作製した横型量子ドットを用い、単一光子偏光から単一電子スピンへの量子状態転写の実証を目指している。この実現のため、表面プラズモンアンテナを用いた横型量子ドットにおける光電子生成効率の向上と光生成電子スピンの操作に取り組む。
本年度は、昨年度に設計・作製した横型量子ドットに表面プラズモンアンテナを組み合わせたデバイスについて、室温での光電流測定による特性評価を主に行った。デバイスに流れる光電流の波長依存性から、作製した表面プラズモンアンテナの透過スペクトルがシミュレーションと概ね一致していることを確認した。また、表面プラズモンアンテナのない試料で測定した光電流スペクトルとの比較から、量子状態転写に用いる軽い正孔の励起波長において約8倍の透過増幅を得られることが分かった。
また測定を進める中で、アンテナの偏光依存性および光学系の構築・アライメントについて重要な知見が得られた。アンテナの透過スペクトルの偏光依存性は作製プロセスにおける試料上の残留物と、不正確なアライメントによって引き起こされることが分かり、これらの両方を解決することで、偏光に依存しないスペクトルを得られることを確認した。また、表面プラズモンアンテナの透過特性が入射するビームのプロファイル、特に広がり角に対して非常に敏感であり、実際の光学系とシミュレーションとで入射光のビームプロファイルを合致させた場合に、実験結果と計算結果がよく一致することを確認した。
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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
A．表面プラズモンアンテナによる光子偏光－電子スピン角運動量転写効率向上
前年度作製した横型量子ドットに表面プラズモンアンテナを組み合わせた試料について、光電流の測定による表面プラズモンアンテナの特性評価を行った。室温で測定した光電流のスペクトルから、作製した表面プラズモンアンテナの透過スペクトル形状が概ねシミュレーションと一致していることを確認した。また、表面プラズモンアンテナを持たない量子ドットにおける光電流スペクトルとの比較から、光子偏光－電子スピン変換に使用する軽い正孔の励起波長において約8倍の透過増幅が表面プラズモンアンテナによって得られることを実証した。一方で、作製プロセスにおける試料上の残留物および垂直でない入射によって透過スペルに偏光依存性が現れることが実験・シミュレーションから分かったが、これらを解決することで偏光依存性のない透過スペクトルを得られることも次いで確認した。
続いて、作製した試料を冷却し、量子ドットでの単一光子ー電子変換における励起効率向上の実証を試みた。冷却時に試料位置がずれることが分かったが、これを補正することが可能な光学系を冷凍機外に構築した。表面プラズモンアンテナを乗せた場合でも量子ドットが問題なく動作することを確認し、光照射の実験を現在進めている。
C．光生成電子スピンの輸送と操作
光生成電子スピンの操作については、光照射およびスピン操作のための高周波印加を同期して行う必要があるため、これを可能にするための測定系を検討した。そのうえで信号発生器、高分解能ディレイジェネレータ等を調達し、現在同期測定系の構築を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、光電流測定から表面プラズモンアンテナによる透過増幅を明らかにした。今後は試料を冷却して量子ドットを形成し、アンテナの透過増幅により単一光子―単一電子変換効率が向上することを確かめる。一方、作製時の試料上の残留物が偏光に影響を及ぼすこと、アンテナ設計の改良により更なる透過増幅が見込めることが分かったため、これらを踏まえた試料の作製にも取り組む。そのうえで2重量子ドットが形成可能かつ残留物の無い表面プラズモンアンテナを備えた試料を確保し、光生成電子のスピン検出および操作を目指す。
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