Realization of strong coupling states between a single electron and terahertz photons using GaAs semiconductor lateral quantum dots

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14384
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kuroyama Kazuyuki 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 / 強結合

Outline of Final Research Achievements

To realize coherent coupling between electrons confined in quantum dots and on-chip terahertz (THz) resonators, we fabricated an on-chip THz optical resonator and a nearby quantum dot formed by the surface gate electrodes on a GaAs/AlGaAs heterostructure wafer having a two-dimensional electron system. The sample was externally irradiated with THz electromagnetic waves, and we measured the photocurrent spectrum of the quantum dots. As a result, we observed the cyclotron resonance of the two-dimensional electrons and the electronic excitation in the quantum dots, and both show an anticrossing signal against the resonance mode of the THz optical resonator, indicating a coherent coupling between these electronic excitations and the THz optical resonator.

Free Research Field

半導体メソスコピック

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

オンチップのTHz共振器と量子ナノ構造とのコヒーレント結合やそのような結合系の電気伝導を調べる研究はこれまでに報告がなく非常にユニークな系である。光と電子が非常に強く結合したときに現れると予測される様々な新奇現象が、電子輸送の物理にどのような影響をもたらすのかを調べる強力なプラットフォームとなることを期待する。また、応用の面では、オンチップのテラヘルツ共振器を介して、THz電磁波の波長程度の距離を隔てた量子ドット間で遠隔のコヒーレント結合を実現したい。それにより、近年目覚ましい発展を遂げている量子ビットの開発において問題となっている、量子ビットの多重化や集積化の問題を解決に貢献する。