半導体量子ドットにおける単一電子スピン状態のトモグラフィ測定と任意光制御

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21244044
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小坂 英男 Tohoku University, 電気通信研究所, 准教授 (20361199)
• Keywords: スピンエレクトロニクス / 量子エレクトロニクス / 光物性 / 量子井戸 / 量子ドット

Research Abstract

本研究プロジェクトでは、半導体量子ドットにおける電子スピン状態の光書き込み、光制御、光トモグラフィ測定の実現を目的とする。本年度は提案時計画の通り、以下の成果を得た。
(1)GaAs半導体量子井戸における電子スピンのコヒーレンス状態の高精度な測定
研究代表者は、電子スピンのコヒーレンス状態を直接測定する手法として、従来の磁気光学カー回転測定を発展させたトモグラフィックカー回転(TKR)測定と呼ぶ新しい手法を考案している。通常のカー回転測定では、基板に垂直な方向へのみスピン射影が可能であるが、TKR測定では任意方向へのスピン射影が原理上可能である。しかしながら、現状では基板の面内方向への射影に関しては、絶対値を精度良く評価することができないという課題があった。特に横磁場方向のスピン成分を定量評価することができなかった。本年度はこの問題を解決し、電子スピンの完全なコヒーレンス測定を可能とした。
(2)電子スピンの位相緩和に関する知見の取得
量子ビットのメモリー時間は位相緩和時間で決まるが、この位相緩和には様々な物理機構が関与する。従来は電子スピンの位相を直接測定する手法がなかったため、位相緩和機構について部分的な情報しか得られなかった。本年度は、TKR測定を利用し位相緩和に関する新たな知見を得た。特に、電子スピンの初期状態に依存した位相緩和を調べた結果、全方位で全く等価な位相緩和を観測した。従来測定不可能であった磁場方向の緩和も、予想した縦緩和ではなく横緩和に支配されることが判明し、スピンダイナミクスの機構解明に向け、重要な知見を得た。
(3)顕微磁気光学測定系の構築
量子ドットにおける電子スピン状態のトモグラフィ測定と任意光制御を行うため、顕微磁気光学測定系の構築を本年度行った。本顕微鏡を用いることにより、局所的なスピン状態の観測を行うことができ、スピンの量子性を利用することができる。

Research Products

• [Journal Article] Single-electronspinresonanceina g-factor-controlled semiconductor quantum dot (2010)
  • Author(s): Takeshi Kutsuwa, Makoto Kuwahara, Keiji Ono, Hideo Kosaka
  • Journal Title: Physics E 42 Pages: 821-824
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical measurement of electron spin coherence in a semiconductor quantum well (2010)
  • Author(s): T.Inagaki, H.Kosaka, Y.Rikitake, H.Imamura, Y.Mitsumori, K.Edamatsu
  • Journal Title: Physica E 42 Pages: 922-925
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proposal of a full Bell state analyzer for spin qubits in a double quantum dot (2010)
  • Author(s): Nobuhiko Yokoshi, Hiroshi Imamura, Hideo Kosaka
  • Journal Title: Phys.Rev.B, Rapid Comm. (未定, 印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single charge detection of an electron created by a photon in a g-factor engineered quantum dot (2010)
  • Author(s): Makoto Kuwahara, Takeshi Kutsuwa, Keiji Ono, Hideo Kosaka
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. (未定, 印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrical Measurement of a Two-Electron Spin State in a Double Quantum Dot (2009)
  • Author(s): Nobuhiko Yokoshi, Hiroshi Imamura, Hideo Kosaka
  • Journal Title: Phys.Rev.Lett. 103 Pages: 046806
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] All-optical phase modulations in a silicon wire waveguide at ultralow light levels (2009)
  • Author(s): Nobuyuki Matsuda, Ryosuke Shimizu, Yasuyoshi Mitsumori, Hideo Kosaka, Aya Sato, Hiroyuki Yokoyama, Koji Yamada, Toshifumi Watanabe, Tai Tsuchizawa, Hiroshi Fukuda, Seiichi Itabashi, Keiichi Edamatsu
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. 95 Pages: 171110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光と量子情報(光子偏光を電子スピンに転写する技術:スピンと光の橋渡し) (2009)
  • Author(s): 小坂英男
  • Journal Title: 日本磁気学会会誌Magnetics Jpn. 4(6) Pages: 287-293
• [Journal Article] 光子と電子スピンの量子情報交換 (2009)
  • Author(s): 小坂英男
  • Journal Title: 日本物理学会誌BUTURI 65(10) Pages: 2-9
• [Journal Article] 固体物理 (2009)
  • Author(s): 小坂英男
  • Journal Title: 光で生成した電子スピンの状態トモグラフィー 44(9) Pages: 603-612
• [Presentation] 群速度整合PPKTPを用いた多光子生成 (2010)
  • Author(s): 藪野正裕, 清水亮介, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、20pTD-122832
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] 電子スピン状態トモグラフィ測定の基底依存性の実験的検証 (2010)
  • Author(s): 稲垣卓弘, 小坂英男, 力武克彰, 今村裕志, 三森康義, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHL-113368
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] タイムビン光子から半導体中の電子スピンへの状態転写の実験 (2010)
  • Author(s): 人見隆太, 小坂英男, 稲垣卓弘, 力武克彰, 今村裕志, 三森康義, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHL-123378
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] 荷電励起子の自然放出光を用いた2電子エンタングルメント生成 (2010)
  • Author(s): 余越伸彦, 今村裕志, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHV-61167
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] g因子制御された電界閉じ込め量子ドットにおける光応答特性 (2010)
  • Author(s): 久津輪武史, 桑原真人, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHW-33559
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] CuCl微小共振器の四光波混合II (2010)
  • Author(s): 松浦心平, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 宮崎健一, 大畠悟郎, 金大貴, 中山正昭, 岡寿樹, 安食博志, 石原一
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-143448
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] ヘテロダイン顕微分光法による単一量子ドットのカー効果 (2010)
  • Author(s): 上平健太郎, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-273479
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] III-V族半導体量子ドットにおける励起子ラビ振動のパルス幅依存性 (2010)
  • Author(s): 朝倉健太, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 赤羽浩一, 山本直克, 佐々木雅英, 大谷直毅
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-283444.
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] Nonclassical interference between a pure single photon state and a weak coherent state (2010)
  • Author(s): R.B. Jin, N.Matsuda, R.Shimizu, Y.Mitsumori, H.Kosaka, K.Edamatsu
  • Organizer: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、20pTD-10
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 20100320-20100323
• [Presentation] タイムビン光子から電子スピンへの量子状態転写についての理論的解析 (2010)
  • Author(s): 力武克彰、今村裕志、小坂英男
  • Organizer: 第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-20
• [Presentation] Coherent spin injection, tomography and manipulation in a semiconductor quantum well (2009)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • Organizer: The 14th conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors(PASPS-14)
  • Place of Presentation: Keio Univ., Japan
  • Year and Date: 20091221-20091222
• [Presentation] Coherent spin injection, tomography and manipulation in a semiconductor quantum well (2009)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • Organizer: The 4th RIEC International Workshop on Spintronics Solid-State Quantum Information Technology -Spin, Photon and Superconductivity-
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20091022-20091023
• [Presentation] g因子制御電界閉じ込め2重量子ドットにおける単一電子スピンコヒーレント制御 (2009)
  • Author(s): 久津輪武史, 桑原真人, 大野圭司, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、25pXG-4
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] 量子状態転写デバイスにおける量子ドットの単一光子応答 (2009)
  • Author(s): 久津輪武史, 桑原真人, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、25pPSB-2
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] タイムビン量子状態転写の半導体量子構造による実現手法の考察 (2009)
  • Author(s): 力武克彰、今村裕志、小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、25pPSB-1
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] g因子制御した2重量子ドットにおけるベル測定手法の提案 (2009)
  • Author(s): 余越伸彦, 今村裕志, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、25pXG-3
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] 磁気光学効果による半導体量子井戸の吸収率変化を利用した電子スピンのコヒーレンス測定 (2009)
  • Author(s): 稲垣卓弘, 小坂英男, 力武克彰, 今村裕志, 三森康義, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-26
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] III-V族半導体キャビティポラリトンのポンププローブ分光 (2009)
  • Author(s): 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 山本直克, 赤羽浩一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-1
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] 微小共振器の四光波混合 (2009)
  • Author(s): 松浦心平, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 宮崎健一, 大畠悟朗, 金大貴, 中山正昭, 岡寿樹, 安食博志, 石原一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-20
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] II-V族半導体量子ドットの励起子フォトンエコー II (2009)
  • Author(s): 朝倉健太, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 赤羽浩一, 山本直克, 佐々木雅英, 大谷直毅
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-35
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] ヘテロダイン顕微分光法による単一量子ドットのラビ振動III (2009)
  • Author(s): 宮原優喜, 三森康義, 上平健太郎, 小坂英男, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-72
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] Ybレーザー励起のパラメトリック下方変換を用いた4光子干渉の観測 (2009)
  • Author(s): 金田文寛, 清水亮介, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、25pZF-9
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] シリコン細線導波路における微弱光領域での全光位相変調 (2009)
  • Author(s): 松田信幸, 清水亮介, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 横山弘之, 山田浩治, 渡辺俊文, 土澤泰, 福田浩, 板橋聖一
  • Organizer: 日本物理学会2009年秋季大会、11a-T-9
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] Coherent spin injection and spin state tomography by light in a semiconductor quantum well (2009)
  • Author(s): Hideo Kosaka
  • Organizer: The 18th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems(EP2DS)
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Year and Date: 20090719-20090724
• [Presentation] Spin state tomography of optically injected electrons in a semiconductor (2009)
  • Author(s): Hideo Kosaka
  • Organizer: 第6回 原子・分子・光科学(AMO)討論会
  • Place of Presentation: Osaka University, Osaka, Japan
  • Year and Date: 20090612-20090613
• [Presentation] Quantum information exchange between photons and electrons (2009)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • Organizer: 2nd Young Researchers International Symposium on Photonics and Electronics Science and Engineering
  • Place of Presentation: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2009-11-06
• [Book] 知識ベースS2群「ナノ・量子・バイオ」5編「量子通信と量子計算」2章「量子ネットワーク」1節「量子中継」 (2010)
  • Author(s): 小坂英男
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 電子情報通信学会