2013 Fiscal Year Annual Research Report
量子輸送チャネルを利用したTHz光源とTHz光子検出器の結合状態の基板上制御
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25287071
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
生嶋 健司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20334302)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
好田 誠 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00420000)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子ホール効果 / 量子ドット / テラヘルツ |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、強磁場中2 次元電子系（2DES）で実現される量子ホール端状態を注入電流とした点光源と単電子制御による量子ドット単一光子検出器を利用して、固体上の電磁場を発生から伝送・検出まで完結して制御するオンチップ量子光学系を構築することである。特に本研究では上記点光源と量子ドットの結合状態の制御に焦点を合わせる。
平成25年度は当初計画どおり、THz共振器を用いてエッジ注入光源の光子エネルギーが発光のオンセット電圧に相当しているのか（7 meV）、サイクロトロンエネルギーに相当しているのか（9 meV）を特定する実験を行った。まず、様々なタイプの共振器を検討した結果、テラヘルツ帯域で適当なバンド幅をもつ金属平面共振器としてSplit-ring型が最適であると判断した。そこで、電磁場シミュレーションによりキャパシタンスに対応するsplit部とインダクタンスに対応するring部を最適化し、エッジ注入光源と量子ドットをバンド幅7％程度で結合するデバイス設計を行った。オンセット電圧に相当する光子エネルギー（7 meV）およびサイクロトロン発光に相当する光子エネルギー（9 meV）のそれぞれ二つの共振器に対して、電子ビームリソグラフィにより試料を作製した。その結果、エッジ状態からの発光は、少なくとも二つの光子エネルギーを伴う発光であることが見出された。特に、発光閾値近傍では、オンセット電圧に相当する光子エネルギーをもつ発光が主流であり、これはスピンフリップ・サイクロトロン発光が生じていることを示唆している。
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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
当初計画どおり、THz共振器を設計・作製し、エッジ状態における発光をフォトンカウンティング分光することに成功した。二つの異なる共振周波数をもつSplit-ring型THz共振器でそれぞれ結合した量子ドット-エッジ状態結合デバイスにおいて、ソース・ドレイン電圧に対する発光強度（フォトンカウンティングレート）を調べた。その結果、発光閾値電圧近傍とサイクロトロンエネルギーに相当する電圧領域で異なる発光が生じていることが見出された。これにより、平成25年度の達成目標に到達した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度において、異なる光子エネルギーをもつ発光過程が存在することが見出された。そこで今年度は、それぞれの発光過程を明らかにする解析・実験を推進する。特に、発光閾値電圧近傍での発光の光子エネルギーは、サイクロトロン発光から2割ほどずれており、スピンフリップを伴うランダウ準位間発光であることを強く示唆する。その場合、エッジ状態におけるスピン－軌道相互作用が本質的に重要であることが予想される。このスピンー軌道相互作用と光学遷移との関連性を検証するために、エッジ状態の合流角（散乱角）、または波数ベクトルと結晶方位軸との角度と発光強度の関係性を明らかにする。一方、量子ドット検出器を用いたHBT実験をするための問題点（発光スペクトル幅と検出器動作速度との関連性）を理論的に明らかにし、それを解決する方法を模索開始する。
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