光子と電子の動的スピン量子相関

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Optical science of dynamically correlated electrons in semiconductors
• Project/Area Number: 21104501
• 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

本研究では、異種量子間を結ぶ共通の自由度スピンを介した、光子と電子の動的スピン量子相関の新原理を探求する。特に、研究代表者の有する「スピン状態転写」と「スピン状態トモグラフィー」の基礎技術を生かし、電子と光子が及ぼし合うスピントルクを実験的に検証し、電子と光子の間の交換相互作用について探究するのが目的である。本研究目的の達成に向け、初年度となる本年度、電子スピンが光スピンへ与えるスピントルク効果について調べた。
GaAs量子井戸構造を用い、光子から電子への「スピン状態転写」の技術を用いて電子スピンを任意の重ね合わせ状態に生成し、これと相互作用する光スピン(反射光の偏光)への影響を、「スピン状態トモグラフィー」技術を用いて観測した。その結果、光子と電子に共通のスピン状態表現空間(ポアンカレーブロッホ球)において、任意に設定された電子スピンの状態ベクトル(ブロッホベクトル)を回転軸として、偏光の状態ベクトル(ストークスベクトル)が一定のトルクを受けたかのように回転することを実験的に検証した。特に今回、位相面内(ブロッホ球の赤道面)のうち、従来不可能であった磁場方向への電子スピン成分も検出することに初めて成功し、電子と光のスピン相互作用が完全に3次元的にコヒーレントであることを明らかにした。本結果は、光子と電子のスピン状態が、半導体中に仮想生成された電子対を介して量子相関することを示唆する。このように異種量子間の動的スピン量子相関を、全位相空間において明らかにした例は他にはなく、今後の動的相関電子系の解明とその活用に大きく貢献するものと期待される。

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: Physica 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, 小板英男, 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、25pSB-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, 士澤泰, 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): 小坂英男
  • 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): 小坂英男
  • 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