近接場光学技術によるナノ光スピトロニクス

• 研究課題/領域番号: 14076206
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 斎木 敏治 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (70261196)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 19,700千円 (直接経費: 19,700千円); 2005年度: 5,100千円 (直接経費: 5,100千円); 2004年度: 5,100千円 (直接経費: 5,100千円); 2003年度: 4,800千円 (直接経費: 4,800千円); 2002年度: 4,700千円 (直接経費: 4,700千円)
• キーワード: 近接場光学顕微鏡 / 量子ドット / 波動関数 / 磁気光学効果 / 偏光分光 / 反磁性シフト / 磁気光学分光 / ホモダイン法 / 反磁性 / 空間分解能 / 量子構造 / スピンダイナミクス / カー回転 / 磁場 / プローブ / カー効果 / ヘテロダイン検出

研究概要

光と分極との高速かつ自由度の大きな相互作用と、スピンがもつ長いコヒーレント寿命を活かし、スピンエレクトロニクスと光エレクトロニクスを融合するための要素技術の確立を目指した。特に情報処理デバイスへの応用を視野に入れ、量子ドット間の相互作用機構とその制御に必要な、磁場印加下での励起子波動関数の実空間観測・制御とナノ領域でのスピン状態検出に取り組んだ。本研究ではこれらを可能にする唯一のツールとして近接場光学顕微鏡(NSOM)を使用した。
大きな技術課題は以下の2つであった。(1)スピン状態を観測するため、NSOMによって偏光状態を高感度に検出する、(2)高分解能・高感度なNSOMを低温・磁場下で安定に動作させる。(1)に関しては、プローブの光透過効率を継続的な課題とし、その一方でプローブ内での偏光状態の安定化を図った。また強い背景光(テーパーからの反射光)が微弱な信号を覆い隠してしまうという問題点を解決するため、信号変調と光干渉による微弱信号の増強をおこない、30nm分解能によるカー回転測定のデモをおこなった。一方(2)に関しては、超伝導マグネット下で動作する低温NSOMを作製し、その動作の安定化(ドリフト、振動の除去など)に取り組んだ。その結果として30nmの分解能による単一量子ドットの波動関数の実空間マッピングに成功した。また磁気発光分光も可能となり、単一量子ドット発光のゼーマン分裂や反磁性シフトなどが観測され、実空間マッピングによって評価した量子ドットサイズに対する依存性も明瞭に確認された。

研究成果

• [雑誌論文] FDTD modeling of a polarization near-field scanning optical microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Sawada, M.Sakai, Y.Kohashi, T.Saiki, H.Nakamura
  • 雑誌名: J. Plasma. Phys. 72 ページ: 1019-1023
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High-contrast imaging of nano-channels using reflection near-field scanning optical microscope enhanced by optical interference (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Sakai, S.Mononobe, S.Akiba, A.Matsuda, W.Hara, M.Yoshimoto, T.Saiki
  • 雑誌名: Opt. Rev. 13 ページ: 266-268
  • NAID: 10018209603
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] FDTD modeling of a polarization near-field scanning optical microscope (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Sawada, M.Sakai, Y.Kohashi, T.Saiki, H.Nakamura
  • 雑誌名: J. Plasma Phys. 72 ページ: 1019-1023
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Local density of states mapping of a field-induced quantum dot by near-field photoluminescence microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 87
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of amorphous recording marks using reflection-mode near-field scanning optical microscope supported by optical interference method (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Sakai, S.Mononobe, K.Yusu, T.Tadokoro, T.Saiki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 44 ページ: 6855-6858
  • NAID: 130004766399
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Observation of amorphous recording marks using reflection-mode near-field scanning optical microscope supported by optical interference method (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Sakai, S.Mononobe, K.Yusu, T.Tadokoro, T.Saiki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 44, 9A ページ: 6855-6855
  • NAID: 130004766399
• [雑誌論文] Photoluminescence properties of single Mn-doped CdS nanocrystals studied by scanning near-field optical microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Ishizumi, K.Matsuda, T.Saiki, C.W.White, Y.Kanemitsu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87, 13 ページ: 133104-133104
  • NAID: 120001682395
• [雑誌論文] Local density of states mapping of a field-induced quantum dot by near-field photoluminescence microscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87, 4 ページ: 43112-43112
• [雑誌論文] High-contrast imaging of NiO nano-channels using a polarization near-field scanning optical microscope (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Sakai, S.Mononobe, A.Sasaki, M.Yoshimoto, T.Saiki
  • 雑誌名: Nanotechnology 15 ページ: 362-364
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nano-optical probing of exciton wave-functions confined in a GaAs quantum dot (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Saiki, K.Matsuda, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi, S.Nair, T.Takagahara
  • 雑誌名: J. Electron Microscopy 53 ページ: 193-201
  • NAID: 10012932769
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Direct optical observation of compositional fluctuation in GaAsi-xNxby near-field photoluminescence spectroscopy and microscopy with high spatial resolution (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, T.Yamada, T.Ishizuka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 85 ページ: 3077-3079
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Direct optical observation of compositional fluctuation in GaAsN by near-field photoluminescence spectroscopy and microscopy with high spatial resolution (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, T.Yamada, T.Ishizuka
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 85 ページ: 3007-3007
• [雑誌論文] Near-field photoluminescence imaging spectroscopy of an n-type modulation-doped quantum well with a lateral periodic potential (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Nanotechnology 15
• [雑誌論文] Near-field optical mapping of exciton wave function in a GaAs quantum dot (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi, S.Nair, T.Takagahara
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 91
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Real-space mapping of exciton wayefunctio in aGaAs quantum dot by near-field optical imaging spectroscopy (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Phys. Stat. Sol. (b) 238 ページ: 285-288
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Near-field photoluminescence imaging of single semiconductor quantum constituents with a spatial resolution of 30 mm (2002)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 81 ページ: 2291-2293
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Near-field photoluminescence imaging of single semiconductor quantum constituents with a spatial resolution of 30 mm (2002)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 88 ページ: 2291-2293
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] FDTD analysis of a near-field optical fiber probe with a double tapered structure (2002)
  • 著者名/発表者名: K.Sawada, H.Nakamura, H.Kambe, T.Saiki
  • 雑誌名: IEICE Trans. Electron. E85 ページ: 2055-2058
  • NAID: 110003214452
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 走査型プローブ顕微鏡 最新技術と未来予測 (2005)
  • 著者名/発表者名: 斎木敏治(分担執筆)
  • 総ページ数: 202
  • 出版者: 丸善株式会社
• [図書] Progress in Nano-Electro-Optics II (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Saiki(partial contribution)
  • 総ページ数: 190
  • 出版者: Springer-Verlag
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi: "Real-space mapping of exciton wavefunctio in aGaAs quantum dot by near-field optical imaging spectroscopy"Phys.Stat.Sol.(b). 238. 285 (2003)
• [文献書誌] K.Matsuda, K.Ikeda, T.Saiki, H.Saito, K.Nishi: "Carrier-carrier interaction in single In_<0.5>Ga_<0.5>As quantum dots at room temperature investigated by near-field scanning optical microscope"Appl.Phys.Lett.. 83. 2250 (2003)
• [文献書誌] K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi, S.Nair, T.Takagahara: "Near-field optical mapping of exciton wave function in a GaAs quantum dot"Phys.Rev.Lett.. 91. 177401-1-177401-4 (2003)
• [文献書誌] T.Saiki, K.Matsuda, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi, S.Nair, T.Takagahara: "Real-space mapping of exciton wave functions in a quantum dot with near-field optical imaging spectroscopy"Acta Physica Polonica A. 104. 281-287 (2003)
• [文献書誌] T.Saiki(分担執筆): "Progress in Nano-Electro-Optics II"Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 250 (2003)
• [文献書誌] K.Matsuda, T.Saiki, S.Nomura, M.Mihara, Y.Aoyagi: "Near-field photoluminescence imaging of single semiconductor quantum constituents with a spatial resolution of 30nm"Applied Physics Letters. Vol.81 No.12. 2291-2293 (2002)
• [文献書誌] S.Hosaka, T.Shintani, H.Koyanagi, K.Katoh, T.Nishida, T.Saiki: "Far-field and near-field optical reading of under-50 nm-sized pits"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.41 No.8A. L884-L886 (2002)
• [文献書誌] K.Sawada, H.Nakamura, H.Kambe, T.Saiki: "FDTD analysis of a near-field optical fiber probe with a double tapered structure"IEICE Transactions on Electronics. Vol.E85-C No.12. 2055-2058 (2002)