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2022 Fiscal Year Annual Research Report

GaAs半導体横型量子ドットを用いた単一電子とテラヘルツ光子の強結合状態の実現

Research Project

Project/Area Number 20K14384
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

黒山 和幸  東京大学, 生産技術研究所, 助教 (20861602)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords半導体量子ドット / テラヘルツ光共振器 / 量子ポイントコンタクト / 量子ホール効果 / 強結合
Outline of Annual Research Achievements

量子ドットや量子ポイントコンタクト(QPC)といったGaAs半導体中に形成されるナノ構造をオンチップのテラヘルツ共振器の近傍に作製することにより、ナノ構造を伝導する電子とTHz共振器との強結合状態を実現する実験を行った。極低温に冷却されたナノ構造に対して、THz電磁波を外部から照射し、そのときに現れるTHz誘起の電流変化(光電流)を入射周波数と面直磁場に関するスペクトルとして計測した。まず、QPCを形成して、光電流スペクトルを計測した結果、二次元電子のサイクロトロン励起と共振器とのコヒーレントな結合状態を示す反交差信号が観測された。特に結合強度を評価すると、この結合系が超強結合状態を達成していることが確認できた。さらにQPCを透過する量子ホールエッジチャネルの本数を制御することで、非常に明瞭な反交差信号の観測できることが分かった。オンチップのTHz共振器の超強結合状態に関する研究は非常に活発に行われているが、電気測定による観測は報告数が非常に限られており、未だ明瞭な信号を得ることは困難であった。本研究では、QPCを用いることで、単一の共振器であっても十分な信号を読み出すことに成功しており、今後超強結合系の理解の更なる進展に貢献するものと期待する。
次に、QPCに閉じ込めを強くすると、反交差信号の真ん中にもう一本別の信号が現れることが分かり、これはQPCにおけるサブバンド間の共鳴励起に起因するものと考えられる。さらに、この信号は、反交差信号の高エネルギー側のモードをより高エネルギー側に押し上げるような振る舞いをしており、QPCのサブバンド間励起もTHz共振器に結合していることが分かった。さらに、同様の振る舞いが量子ドットに対しても得られており、これは量子ドットに捕捉された電子の準位間共鳴励起とTHz共振器とのコヒーレントな結合状態を実現しているものと解釈している。

  • Research Products

    (3 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Coherent interaction of a-few-electron quantum dot with a terahertz optical resonator2022

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa, Kazuhiko Hiarakawa
    • Journal Title

      arXiv:2204 10522

      Volume: 2204 10522 Pages: 2204 10522

  • [Presentation] 電荷・スピン・光子のテラヘルツ量子インターフェース2023

    • Author(s)
      黒山和幸
    • Organizer
      応用物理学会 第70回春季学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] Coherent Interaction Between A Gate-Defined Quantum Dot And A Terahertz Split-Ring Resonator In The Ultrastrong Coupling Regime2022

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Jinkwan Kwoen, Yasuhiko Arakawa, Kazuhiko Hirakawa,
    • Organizer
      47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-12-25  

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