2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25247047
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
足立 智 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10221722)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | スピンエンジニアリング / 量子ナノ構造 / 核スピン / 正孔スピン / 電子スピン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体での局在電子スピンを利用した量子情報処理研究において，電子・正孔スピン－核スピン間相互作用（超微細相互作用）の理解と制御が不可欠であることが分かってきた．本研究では，これまでの光誘起核スピン分極研究の成果をさらに発展させ，単一量子リング・ドットでの核スピンエンジニアリングを確立し，長期目標としての量子メモリへの発展に貢献することを目的としている．
H26年度は，以下の項目において研究を行い，成果を得た．
(1) In(Ga)As量子リングにおける正孔および電子面直ｇ因子の個別測定，正孔ｇ因子と歪誘起価電子帯混合度との相関，およびその理論計算 等を行い，正孔ｇ因子の分散領域を示した．この成果は，核スピンとの相互作用の少ない正孔スピンの任意制御にとって重要であり，学術論文誌に発表した．H27年度においては電子・正孔面内ｇ因子異方性を中心に測定を継続し，データを蓄積する．
(2) g因子やスピンコヒーレンス測定およびスピン制御に有効である時間分解カー回転分光法の感度上げる努力をするとともに，核スピンの影響の少ないCdTe量子井戸において，数mTの核磁場を検出することに成功し，II-VI系半導体の核スピン分極の影響がIII-V系（InAsなど）に比較して1000倍程度弱いことを確認するとともに手法の有効性を示した．また負の荷電励起子（負のトリオン）生成のダイナミクスがスピン歳差運動の初期位相に与える影響を解明した．これらの成果も複数の学術論文に発表した．
(3)超微細相互作用支援光学遷移を利用した核スピン光ポンピング技術の研究に関しては，核の電気四重極子の効果が効いていることが分かってきたので，引き続きH27年度も研究を継続する．これにより電子スピン反転を伴わない核スピンポンピングができる可能性が出てきた．まずは単一ドット・リングのハンル効果からそれらを実証する予定である．
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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
核スピンの影響の大きな電子スピンよりも，相互作用の小さい正孔スピンを量子演算等に用いるという流れが1年程前から本研究分野で明らかになってきており，タイムリーに成果が出せ，国際会議等でも発表が注目された．海外の大学との共同研究により，理論シュミュレーションとの比較も行えるようになりつつあり，この項目については概ね順調に進んでいる．核の電気四重極子の効果については，より効果の観測しやすい線幅の狭いドットまたはリングの探索が必要であり，H27年度において更に詳細な実験を行う．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き，高核スピン分極形成技術および正孔スピン光ポンピング技術を研究するとともに，価電子帯混合による重い正孔スピンｇ因子の面内異方性の直接評価を行う．
前者については，H27年度は電子スピン反転を介さない非同軸超微細相互作用を単一量子リングおよびドット構造でのハンル効果測定を通じて実験的に研究する．これまで電子スピンと核スピンとのフェルミ接触型超微細相互作用による核スピン分極の双安定性等を明らかにしてきた．しかしこの相互作用を利用する限り，結晶成長方向への核磁場しか生成できない．また数テスラの大きな磁場では，スピンフリップ・フロップ過程での大きなエネルギー不整合のために，核スピン分極形成レートが飽和し，高分極率を達成するのは困難であると分かってきた．この障害を克服するために，いわゆる非同軸超微細相互作用と呼ばれる相互作用を利用して，電子スピンフリップを必要としない核スピン分極形成の研究を，単一量子リングおよびドット構造でのハンル効果測定を通じて行う．
後者については，昨年度は，歪による重い正孔と軽い正孔の混合(VBM)と成長方向の電子・正孔ｇ因子との相関の実測(Appl. Phys. Express 7, 065002/1-4 (2014)) および理論計算を行った. g因子制御によるスピンの任意操作を行うためには２つの異なる軸でのｇ因子の制御が必要である．このためIn(Al,Ga)As量子リングおよびドット構造での面内電子・正孔ｇ因子の測定を行い，歪誘起VBMとの相関を実験的に調査し，理論計算との比較を行う．また昨年度の予備実験結果を踏まえ，ピエゾ素子による可変歪を用いた正孔ｇ因子の制御実験を行う．
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