半導体量子ドットのスピンコヒーレンスの研究

• 研究課題/領域番号: 16031203
• 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: 筑波大学
• 研究代表者: 舛本 泰章 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 教授 (60111580)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 5,300千円 (直接経費: 5,300千円); 2005年度: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2004年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円)
• キーワード: 電子スピン / 核スピン / 量子ビート / InAs / InP / スピン緩和 / 量子ドット / 超微細相互作用 / スピンエレクトロニクス / スピン偏極 / 円偏光度 / CeTe

研究概要

<電子スピンの緩和時間に対する弱磁場による核スピン揺らぎの凍結効果>
時間分解偏光発光分光法により、正孔をドープされたp-InAs量子ドット中の電子スピン緩和を研究し、電子スピン偏極は、光励起後500psでランダムに向いた核スピンとの超微細相互作用により、最初の1/3になるが、わずか100mTの外部磁場の印加により電子スピン緩和時間が4nsになり、ランダムに向いた核スピンとの超微細相互作用による速い電子スピン緩和が抑制される核スピンの揺らぎの凍結する効果を見いだした。
<電子ドープInP量子ドット中のサブミリ秒の電子スピン緩和時間>
電子を1個ドープしたInP量子ドットの発光の円偏光度を計測し、電子のスピン偏極がサブミリ秒からミリ秒に達する間保たれる部分があることを見いだした。チャージチューナブル自己形成InP量子ドットを円偏光ピコ秒レーザーパルスにより準共鳴励起し、ファラディー配置で縦磁場を加え、偏光フォトルミネッセンスおよびその時間分解を系統的に研究した。核スピンの揺らぎの効果を抑えられる0.1Tの縦磁場下で、InP量子ドットの発光帯を円偏光で準共鳴励起すると、励起光エネルギーからストークスシフトが大きいエネルギー領域では、負の円偏光度をもつ発光となる。発光ポンプ・プローブ法を用いた時間分解測定により、負の円偏光度は、数百マイクロ秒の緩和時間で緩和していくことが明らかになった。減衰カーブは単純な指数関数ではないが、少なくとも100μsもの長い時間経過後でも電子スピンは偏極している。その後の研究で電子スピン偏極は1ms程度までたっても一部保たれていることが示された。負の円偏光度は温度や磁場に依存し、磁場の増加、温度の上昇とともに緩和時間が短くなっていくのが明らかとなった。

研究成果

• [雑誌論文] Millisecond-range electron spin memory in singly-charged InP quantum dots (2006)
  • 著者名/発表者名: B.Pal
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 75(To be published)
• [雑誌論文] Origin of the amplified spontaneous emission from thiophene/phenylene co-oligomer single crystals : Towards co-oiigomer lasers (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Bando
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 99 ページ: 13518-13518
• [雑誌論文] Tunneling-induced dephasing in InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Masumoto
  • 雑誌名: Physica E 26 ページ: 413-413
• [雑誌論文] Observation of biexcitonic quantum beat in strain-inaduced GaAs quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: Physica E 26 ページ: 149-149
• [雑誌論文] Optical spin polarization in double charged InAs self-assembled quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: V.K.Kalevich
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 202 ページ: 387-387
• [雑誌論文] Spin relaxation in CdTe quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Chen
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 71 ページ: 33314-33314
• [雑誌論文] Direct Observation of the Electron Spin Relaxation Induced by Nuclei in Quantum Dots (2005)
  • 著者名/発表者名: P.-F.Braun
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 94 ページ: 116601-116601
• [雑誌論文] Optical spin polarization and exchange interaction in doubly charged InAs self-assembled quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: V.K.Kalevich
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 72 ページ: 45325-45325
• [雑誌論文] Temperature behavior of hot carrier dynamics in InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: A.V.Maleev
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 71 ページ: 195323-195323
• [雑誌論文] Non-Markovian tunneling induced dephasing in InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Masumoto
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 74・11 ページ: 2933-2936
  • NAID: 110002325525
• [雑誌論文] Confined Acoustic Vibration Modes in CuBr Quantum Dots (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 74・11 ページ: 3082-3087
• [雑誌論文] Direct observation of the electron spin dephasing induced by nuclei in InAs/GaAs quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: P.-F.Braun
  • 雑誌名: Proc.Ioffe Institute 13th Int.Symp."Nanostructures : Physics and Technology" ページ: 45-45
• [雑誌論文] Effect of nuclear spins on the electron spin dynamics in negatively charged InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: I.V.Ignatiev
  • 雑誌名: Proc.Ioffe Institute 13th Int.Symp."Nanostructures : Physics and Technology" ページ: 47-47
• [雑誌論文] Spin relaxation in magnetic field for InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: I.Ya.Gerlovin
  • 雑誌名: Proc.Ioffe Institute 13th Int.Symp."Nanostructures : Physics and Technology" ページ: 63-63
• [雑誌論文] Submillisecond electron spin relaxation in InP quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 72 ページ: 153302-153302
• [雑誌論文] Detection of four-wave mixcing signal from single layer quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: Ultrafast Phenomena XIV(ed. T.Kobayashi, T.Okada, T.Kobayashi, K.A.Nelson and S.De Silvestri) ; Proc.14th Int.Conf.on Ultrafast Phenomena ページ: 301-303
• [雑誌論文] Absorption Saturation Energy Density of InGaAs-InAlAs Multiple Quantum Well under Tensile and Compressive Strain (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Okuno
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 44
• [雑誌論文] Crosshatch observation in MBE-grown Be-doped InGaAs epilayer on InP (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Bando
  • 雑誌名: J.Cryst.Growth 278 ページ: 610-610
• [雑誌論文] Determination of strain-induced valence-band splitting in GaAsN thin films from circularly polarized photoluminescence (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Yu.Egorov
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 98 ページ: 13539-13539
• [雑誌論文] Spin-dependent recombination in GaAsN alloys (2005)
  • 著者名/発表者名: V.K.Kalevich
  • 雑誌名: JETP Letters 82 ページ: 455-455
• [雑誌論文] Optical spin polarization in double charged InAs self-assembled quantum dots (2005)
  • 著者名/発表者名: V.K.Kalevich
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 202・3 ページ: 387-391
• [雑誌論文] Quantum beat of strain-induced GaAs quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Masumoto
  • 雑誌名: Physica E 21 ページ: 1012-1017
  • NAID: 120007138905
• [雑誌論文] Quantum beats in semiconductor quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Masumoto
  • 雑誌名: J.Lumin 108 ページ: 177-180
• [雑誌論文] Optical spin polarization of holes in negatively charged InAs/GaAs self-assembled quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: V.K.Kalevich
  • 雑誌名: Physica E 21 ページ: 1018-1021
• [雑誌論文] Optical orientation of electron and nuclear spins in negatively charged InP QDs (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Yu.Verbin
  • 雑誌名: Program of 27th Int. Conf. Physics of Semiconductors ページ: 309-309
• [雑誌論文] Optical anisotropy of excitons and biexcitons in InP quantum dots
  • 著者名/発表者名: Y.Masumoto
  • 雑誌名: J.Lumin. (To be published)
• [雑誌論文] Photon echo study of excitons and excitonic complexes in self-assembled quantum dots
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: J.Lumin. (To be published)
• [雑誌論文] Highly sensitive time-resolved Kerr rotation measurements on single-layer quantum dots
  • 著者名/発表者名: A.Kanno
  • 雑誌名: J.Lumin. (To be published)
• [雑誌論文] Spin relaxation mechanism of strain-induced GaAs quantum dots studied by time-resolved Kerr rotation
  • 著者名/発表者名: A.Kanno
  • 雑誌名: Phys.Rev.B. (To be published)
• [雑誌論文] Biexciton binding energy in parabolic GaAs quantum dots
  • 著者名/発表者名: M.Ikezawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B. (To be published)