Spin hot spots in semiconductor quantum dots

• 研究課題/領域番号: 16K05411
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物性Ⅰ
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: STANO PETER 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (10722746)
• 研究協力者: Zumbühl Dominik University of Basel, Prof. ; Gendiar Andrej Slovak Academy of Sciences, Institute of Physics, Dr. ; RIKEN Daniel Loss , Prof.
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2018年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: spin-orbit coupling / decoherence / quantum dot / spin qubit / nuclear spins / スピン 物性 (半導体) / スピン物性（半導体）

研究成果の概要

本研究では半導体量子ドットデバイスにおけるスピン軌道相互作用を評価するための手法についての研究を行ってきた。この手法では、スピン緩和レートの外部磁場、および結晶方位に対する試料の向きについての異方性を活用する。私たちはこの手法について開発を行い、また強磁場を用いて、量子ドットの詳細を明らかにした。またこれらの結果について、Physical Review LettersやNature Communicationsなどの国際誌で発表した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の学術的重要性は、半導体量子ドットにおけるスピン軌道相互作用について新しい評価手法を開発、実証したことである。これにより従来は不可能と思われてきた情報を推測することが可能となった。例えば、固体中に閉じ込められた単一電子の波動関数に関する情報である。この新しい手法を用いて、ライフタイムの長い量子ビットや、操作時間の短い量子ビット等、優れた特性を持つ半導体量子ビットの設計と作製を行うことができる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Basel(スイス)
• [雑誌論文] Orbital effects of a strong in-plane magnetic field on a gate-defined quantum dot (2019)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter、Hsu Chen-Hsuan、Camenzind Leon C.、Yu Liuqi、Zumbuhl Dominik、Loss Daniel
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 8 ページ: 085308-085308
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085308
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot-lead coupled system (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Sen Li, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 8 ページ: 85402-85402
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopy of Quantum-Dot Orbitals with In-Plane Magnetic Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: L. C. Camenzind, L. Yu, P. Stano, J. Zimmerman, A. C. Gossard, D. Loss, D. M. Zumbuhl
  • 雑誌名: accepted for Physical Review Letters 巻: arxiv
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] g-factor of electrons in gate-defined quantum dots in a strong in-plane magnetic field (2018)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter、Hsu Chen-Hsuan、Serina Marcel、Camenzind Leon C.、Zumbuhl Dominik M.、Loss Daniel
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 19 ページ: 195314-195314
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.195314
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hyperfine-phonon spin relaxation in a single-electron GaAs quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: Camenzind Leon C.、Yu Liuqi、Stano Peter、Zimmerman Jeramy D.、Gossard Arthur C.、Loss Daniel、Zumbuhl Dominik M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 3454-3454
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05879-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dipolelike dynamical nuclear spin polarization around a quantum point contact (2018)
  • 著者名/発表者名: Peter Stano, Tomosuke Aono, Minoru Kawamura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 号: 7 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.075440
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Higher-order spin and charge dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Stano Peter、Noiri Akito、Ito Takumi、Loss Daniel、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12217-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robust Single-Shot Spin Measurement with 99.5% Fidelity in a Quantum Dot Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Otsuka Tomohiro、Stano Peter、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Noiri Akito、Kawasaki Kento、Takeda Kenta、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Loss Daniel、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.017701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Signatures of Hyperfine, Spin-Orbit, and Decoherence Effects in a Pauli Spin Blockade (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Fujita, P. Stano, G. Allison, K. Morimoto, Y. Sato, M. Larsson, J.-H. Park, A. Ludwig, A.D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 号: 20 ページ: 206802-206802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.206802
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimal geometry of lateral GaAs and Si/SiGe quantum dots for electrical control of spin qubits (2016)
  • 著者名/発表者名: Malkoc, O.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 号: 23 ページ: 235413-235413
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.235413
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fractional boundary charges in quantum dot arrays with density modulation (2016)
  • 著者名/発表者名: J.-H. Park, G. Yang, J. Klinovaja, P. Stano, D. Loss
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 号: 7 ページ: 075416-075416
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.075416
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Effects of an in-plane magnetic field on a quasi-2D quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Stano
  • 学会等名: China-Japan International Workshop on Quantum Technologies, QTech2018, Hefei, China, 23. August 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theory of g-factor in quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Stano
  • 学会等名: Nasu 8th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effects and Quantum Information, Nasu, Tochigi, Japan, 4. September 2018
• [学会発表] Orbital effects of an in-plane field in a 2DEG quantum dot (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Stano
  • 学会等名: APS March Meeting, Los Angeles, USA, 8. March 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of an In-plane Magnetic Field on the Electron g-factor in a 2DEG Quantum Dot (2018)
  • 著者名/発表者名: Ch.-H. Hsu (with P. Stano, and D. Loss)
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting, Los Angeles, United States, 8. March 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Theory and modeling of gated quantum dot qubits in GaAs: orbital and spin effects of the magnetic field (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Stano
  • 学会等名: Spin Qubit 4, Steigenberger Inselhotel, Konstanz, Germany, 14. September 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theory and modeling of gated quantum dot qubits in GaAs: orbital and spin effects of the magnetic field (2018)
  • 著者名/発表者名: P. Stano
  • 学会等名: 10th International conference Solid State Surfaces and Interfaces, Smolenice, Slovakia, 20. November 2018
  • 国際学会
• [学会発表] How to measure the spin-orbit interactions in a quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter
  • 学会等名: SFB seminar (2. May), University of Regensburg, Germany
• [学会発表] Spin relaxation in quantum dots (2017)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter
  • 学会等名: 7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information, Hotel LaforetShuzenji, Izu, Shizuoka
• [学会発表] Nuclear spins in quantum dot spin qubits (2017)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter
  • 学会等名: International Symposium on Hybrid Quantum Systems (HQS 2017), Miyagi Zao Royal Hotel, Zao, Miyagi
• [学会発表] Dephasing of a Singlet-Triplet Qubit in a Gated GaAs Dot due to Non-Ergodic Hyperfine Noise (2016)
  • 著者名/発表者名: Stano, P.
  • 学会等名: Spin Coherence and Topological Order in Semiconductor Nanosystems
  • 発表場所: CSRC, Beijing, China
  • 年月日: 2016-11-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fractional charges in quantum dot arrays with density modulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Stano, P.
  • 学会等名: Nasu 6th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effects and Quantum Information
  • 発表場所: Nasu, Tochigi, Japan
  • 年月日: 2016-09-23
• [学会発表] Footprints of hyperfine, spin-orbit, and decoherence effects in Pauli spin blockade (2016)
  • 著者名/発表者名: Stano, P.
  • 学会等名: 33rd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2016)
  • 発表場所: International Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 2016-08-04
  • 国際学会
• [学会発表] Fractional charges in quantum dot arrays with density modulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Stano, P.
  • 学会等名: 20th Symposium on Topological Quantum Information
  • 発表場所: University of Athens, Greece
  • 年月日: 2016-05-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fractional charges in quantum dot arrays with density modulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Stano, P.
  • 学会等名: China-Japan International Workshop on Quantum Technologies (QTech2016)
  • 発表場所: Peking University, Beijing, China
  • 年月日: 2016-05-13
  • 国際学会 / 招待講演