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

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21244044
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小坂 英男 東北大学, 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。
量子ドットにおけるスピン状態トモグラフィ
初年度に行った量子井戸におけるトモグラフィックカー回転(TKR)測定を発展させ、量子ドットにおけるTKR測定を行う実験系を構築し、その目処を立てた。この際、軽い正孔を仲介とするV型遷移の利用が鍵となる。量子ドットの電子状態は十分離散化しており、パウリ排他律によってシングレット(一重項状態)のみが許容されるため、量子井戸の場合より厳密なトモグラフィ測定が可能である。
実験では、共振器中に埋め込まれた単一量子ドットを光励起し、単一量子ドットからの発光スペクトルの磁場依存性を調べた。その結果、通常の中性励起子だけでなく、電子を一つを過剰に持つ荷電励起子の存在を確認した。これに磁場を印加すると、発光スペクトルは4本に分裂し、電子と正孔のゼーマン分裂幅の違いを反映した不均等なスペクトル分裂を観測した。この分裂から、電子と正孔のg因子が大きくことなることとを明らかにし、上述のV型遷移の利用が可能であるとの結論を得た。この量子井戸はQ値が200程度の共振器中に埋め込まれたものであり、目的とする単一量子ドットのTKRを観測するのに十分な構造となっている。
本実験により、始めて電子スピンの量子的なコヒーレンスを調べることができると期待される。入射光の偏光状態を様々に変化させ、TKR測定を通して電子スピンの状態密度行列を測定することにより、単一スピンの状態トモグラフィのみならず、状態転写に関わるチャンネルトモグラフィも行うことができる。

Research Products

• [Journal Article] Photon-to-Electron Quantum Information Transfer (2011)
  • Author(s): H.Kosaka
  • Journal Title: J.Appl.Phys. Volume: 109 Pages: 102414
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin coherent read, write, manipulation of electrons with light in solids (2011)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake
  • Journal Title: AIP Conf.Proc Volume: 1363 Pages: 165-168
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitonic Rabi oscillations in self-assembled semiconductor quantum dots (2011)
  • Author(s): K.Asakura, Y.Mitsumori, H.Kosaka, K.Edamatsu, K.Akahane, N.Yamamoto, M.Sasaki, N.Ohtani
  • Journal Title: AIP Conf.Proc. Volume: 1399 Pages: 529-530
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent spin preparation, manipulation and read-out with light and microwaves in a quantum well and dot (2010)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • Journal Title: J.Phys. Volume: 245 Pages: 012001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 半導体中の電子スピンへの光量子状態転写のプロセストモグラフィ測定実験 (2011)
  • Author(s): 稲垣卓弘, 小坂英男, 三森康義, 枝松圭一, 力武克彰
  • Organizer: 日本物理学会2011年春季大会(第66回年次大会)、25pRB-13
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 20110325-20110328
• [Presentation] Quantum interface between photons and electron spins in a semiconductor (2011)
  • Author(s): H.Kosaka
  • Organizer: Advances in Photonics of Quantum Computing, Memory, and Communication (SPIE-OPTO)
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-01-27
• [Presentation] 光子・電子スピンの量子メディア変換におけるプロセストモグラフィ測定 (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: 第23回量子情報技術研究会(QIT23)
  • Place of Presentation: NII、東京
  • Year and Date: 20101115-20101116
• [Presentation] QUANTUM MEDIA CONVERSION BETWEEN PHOTONS AND ELECTRONS IN SOLIDS FOR QUANTUM REPEATERS (2010)
  • Author(s): H.Kosaka
  • Organizer: Updating Quantum Cryptography and Communications (UQCC)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20101018-20101020
• [Presentation] 共振器中量子ドット間への量子もつれ配信手法の提案 (2010)
  • Author(s): 余越伸彦, 今村裕志, 小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2010年秋季大会、27aPS-35
  • Place of Presentation: 大阪府立大学中百舌鳥キャンパス
  • Year and Date: 20100923-20100926
• [Presentation] Quantum media conversion from a photon to an electron spin (2010)
  • Author(s): H.Kosaka H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2010)
  • Place of Presentation: University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20100922-20100924
• [Presentation] Full-dimensional analysis of coherent spin dynamics in a semiconductor (2010)
  • Author(s): T.Inagaki, H.Kosaka, Y.Rikitake, H.Imamaura, Y.Mitsumori, K.Edamatsu
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2010)
  • Place of Presentation: University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20100922-20100924
• [Presentation] Photon to electron quantum information transfer (2010)
  • Author(s): H.Kosaka
  • Organizer: The 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS30)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 20100725-20100730
• [Presentation] pin coherent read, write, manipulation of electrons with light in solids (2010)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • Organizer: The 10th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing (QCMC2010)
  • Place of Presentation: University of Queensland, Brisbane, Queensland, Australia
  • Year and Date: 20100719-20100723
• [Presentation] Quantum Information Exchange between Photons and Electrons in Solids (2010)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, Y.Rikitake, H.Imamura
  • Organizer: International conference on Core Research and Engineering Science of Advanced Materials
  • Place of Presentation: Osaka university convention center, Japan
  • Year and Date: 20100530-20100604
• [Presentation] 半導体量子井戸における光子と電子のスピン量子相関 (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: 半導体における動的相関電子系の光科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20100527-20100528
• [Presentation] Coherent spin preparation, manipulation and read-out with light and microwaves in a quantum well and dot (2010)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.One, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • Organizer: Quantum Dot (QD 2010), East Midlands Conference Centre
  • Place of Presentation: East Midlands Conference Centre, Nottingham, UK
  • Year and Date: 20100426-20100430
• [Presentation] Quantum information exchange between photons and electrons in solids (2010)
  • Author(s): H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Rikitake, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, N.Yokoshi, H.Imamura
  • Organizer: International Symposium on Physics of Quantum Technology (ISPQT)
  • Place of Presentation: Hitotsubashi Memorial Hall, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20100406-20100409
• [Presentation] Spin state tomography of electrons in fall Bloch bases (2010)
  • Author(s): Takahiro Inagaki, Hideo Kosaka, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
  • Organizer: International Symposium on Physics of Quantum Technology (ISPQT)
  • Place of Presentation: Hitotsubashi Memorial Hall, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20100406-20100409
• [Presentation] Optical Spin State Tomography of Electrons in Full Bloch Bases for Quantum Storage (2010)
  • Author(s): Takahiro Inagaki, Hideo Kosaka, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
  • Organizer: The 3rd International Conference on Updating Quantum Cryptography and Communications (UQCC2010)
  • Place of Presentation: NII, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2010-10-19