光子と電子の動的スピン量子相関

• 研究領域: 半導体における動的相関電子系の光科学
• 研究課題/領域番号: 21104501
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小坂 英男 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (20361199)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2010
• 研究課題ステータス: 完了 (2010年度)
• 配分額: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2010年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2009年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
• キーワード: 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

研究概要

本課題研究の目的は、光子と電子という異なった量子間の動的量子相関を、共通の自由度で透るスピン量子性に着目して理解し、観測し、制御し、さらにはその根底にある新原理を探求することである。この目的に向け、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」の基礎技術を生かし、電子と光子が互いに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した。
初年度のH21年度は、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。これに対し最終年度のH22年度は、初年度とは逆に光スピンが電子スピンへ与えるスピントルク効果について調べた。具体的には、初年度の実験において、電子を生成するポンプ光と電子スピンの状態を観測するプローブ光の間に新たに制御光を加え、この制御光により電子スピンの状態を任意に制御することを試みた。この際ポンプ光、制御光、プローブ光の強度、位相はそれぞれ独立かつ任意に波長、時間、偏光を制御できるようにした。その結果、偏光を固定したポンプ光を用いても、制御光の強度および位相によって電子スピンの状態を任意に制御することができることを、実験的および理論的に明らかにした。本効果は光スピンが電子スピンに与えるトルク作用と捉えることができ、電子スピンが与える光スピンペのトルクの反作用と言える。本研究は基底無依存のスピントルク効果を検証し、スピン交換相互作用の光子、電子相互への作用を及ぼすことを明らかにしたものである。

研究成果

• [雑誌論文] Coherent spin preparation, manipulation and read-out with light and microwaves in a quantum well and dot (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • 雑誌名: J.Phys. 巻: 245 ページ: 0120011-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement of Electron Spin States in a Semiconductor Quantum Well Using Tomographic Kerr Rotation (2010)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Inagaki, Hideo Kosaka, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
  • 雑誌名: Jap.J.Appl.Phys. 巻: 49
  • NAID: 210000068327
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single charge detection of an electron created by a photon in a g-factor engineered quantum dot (2010)
  • 著者名/発表者名: Makoto Kuwahara, Takeshi Kutsuwa, Keiji Ono, Hideo Kosaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 96 ページ: 1631071-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photon-to-Electron Quantum Information Transfer (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 巻: (未定)(印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-electronspinresonanceina g-factor-controlled semiconductor quantum dot (2010)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Kutsuwa, Makoto Kuwahara, Keiji Ono, Hideo Kosaka
  • 雑誌名: Physica E 42 ページ: 821-824
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical measurement of electron spin coherence in a semiconductor quantum well (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Inagaki, H.Kosaka, Y.Rikitake, H.Imamura, Y.Mitsumori, K.Edamatsu
  • 雑誌名: Physica E 42 ページ: 922-925
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of a full Bell state analyzer for spin qubits in a double quantum dot (2010)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Yokoshi, Hiroshi Imamura, Hideo Kosaka
  • 雑誌名: Phys.Rev.B, Rapid Comm. (未定, 印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single charge detection of an electron created by a photon in a g-factor engineered quantum dot (2010)
  • 著者名/発表者名: Makoto Kuwahara, Takeshi Kutsuwa, Keiji Ono, Hideo Kosaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. (未定, 印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical Measurement of a Two-Electron Spin State in a Double Quantum Dot (2009)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiko Yokoshi, Hiroshi Imamura, Hideo Kosaka
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 103 ページ: 46806-46806
  • NAID: 120003781027
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-optical phase modulations in a silicon wire waveguide at ultralow light levels (2009)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsuda, Ryosuke Shimizu, Yasuyoshi Mitsumori, Hideo Kosaka, Aya Sato, Hiroyuki Yokoyama, Koji Yamada, Toshifumi Watanabe, Tai Tsuchizawa, Hiroshi Fukuda, Seiichi Itabashi, Keiichi Edamatsu
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 95 ページ: 171110-171110
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 雑誌名: 日本磁気学会会誌 Magnetics Jpn. 4(6) ページ: 287-293
• [雑誌論文] 光子と電子スピンの量子情報交換 (2009)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 雑誌名: 日本物理学会誌BUTURI 65(10) ページ: 2-9
• [雑誌論文] 固体物理 (2009)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 雑誌名: 光で生成した電子スピンの状態トモグラフィー 44(9) ページ: 603-612
• [学会発表] Quantum interface between photons and electron spins in a semiconductor (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka
  • 学会等名: Advances in Photonics of Quantum Computing, Memory, and Communication (SPIE-OPTO)
  • 発表場所: San Francisco, USA(Invited talk)
  • 年月日: 2011-01-27
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 力武克彰、今村裕志、小坂英男
  • 学会等名: 第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 湘南キャンパス
  • 年月日: 2010-03-20
• [学会発表] Quantum information exchange between photons and electrons in solids (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Rikitake, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, N.Yokoshi, H.Imamura
  • 学会等名: International Symposium on Physics of Quantum Technology (ISPQT)
  • 発表場所: Hitotsubashi Memorial Hall, Tokyo, Japan(Invited talk)
• [学会発表] Quantum Information Exchange between Photons and Electrons in Solids (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, Y.Rikitake, H.Imamura
  • 学会等名: International conference on Core Research and Engineering Science of Advanced Materials
  • 発表場所: Osaka university convention center, Japan(Invited talk)
• [学会発表] Photon to electron quantum information transfer (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka
  • 学会等名: The 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS30)
  • 発表場所: Seoul, Korea(Invited talk)
• [学会発表] Quantum media conversion from a photon to an electron spin (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, K.Ono, Y.Rikitake, N.Yokoshi, H.Imamura
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2010)
  • 発表場所: University of Tokyo, Tokyo, Japan(Invited talk)
• [学会発表] QUANTUM MEDIA CONVERSION BETWEEN PHOTONS AND ELECTRONS IN SOLIDS FOR QUANTUM REPEATERS (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka
  • 学会等名: Updating Quantum Cryptography and Comtnunications (UQCC)
  • 発表場所: Tokyo, Japan(Invited talk)
• [学会発表] 群速度整合PPKTPを用いた多光子生成 (2010)
  • 著者名/発表者名: 藪野正裕, 清水亮介, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、20pTD-122832
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 稲垣卓弘, 小坂英男, 力武克彰, 今村裕志, 三森康義, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHL-113368
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHL-123378
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 余越伸彦, 今村裕志, 小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHV-61167
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 久津輪武史, 桑原真人, 小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、21aHW-33559
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] CuCl微小共振器の四光波混合II (2010)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-143448
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 上平健太郎, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-273479
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、22pPSB-283444
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] Nonclassical interference between a pure single photon state and a weak coherent state (2010)
  • 著者名/発表者名: R.B.Jin, N.Matsuda, R.Shimizu, Y.Mitsumori, H.Kosaka, K.Edamatsu
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季大会(第65回年次大会)、20pTD-10
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
• [学会発表] Quantum information exchange between photons and electrons (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • 学会等名: 2nd Young Researchers International Symposium on Photonics and Electronics Science and Engineering
  • 発表場所: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2009-11-06
• [学会発表] Spin state tomography of optically injected electrons in a semiconductor (2009)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 学会等名: 第6回 原子・分子・光科学(AMO)討論会
  • 発表場所: Osaka University, Osaka, Japan
• [学会発表] Coherent spin injection and spin state tomography by light in a semiconductor quantum well (2009)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 学会等名: The 18th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems(EP2DS)
  • 発表場所: Kobe, Japan
• [学会発表] Coherent spin injection, tomography and manipulation in a semiconductor quantum well (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • 学会等名: The 4th RIEC International Workshop on Spintronics Solid-State Quantum Information Technology-Spin, Photon and Superconductivity-
  • 発表場所: Sendai, Japan
• [学会発表] Coherent spin injection, tomography and manipulation in a semiconductor quantum well (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Kosaka, H.Shigyou, T.Inagaki, Y.Mitsumori, K.Edamatsu, T.Kutsuwa, M.Kuwahara, Keiji Ono, Y.Rikitake, H.Imamura
  • 学会等名: The 14th conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors(PASPS-14)
  • 発表場所: Keio Univ., Japan
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 久津輪武史, 桑原真人, 大野圭司, 小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、25pXG-4
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 久津輪武史, 桑原真人, 小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、25pSB-2
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 力武克彰、今村裕志、小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、25pPSB-1
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 余越伸彦, 今村裕志, 小坂英男
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、25pXG-3
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 稲垣卓弘, 小坂英男, 力武克彰, 今村裕志, 三森康義, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-26
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一, 山本直克, 赤羽浩一
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-1
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 微小共振器の四光波混合 (2009)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-20
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] II-V族半導体量子ドットの励起子フォトンエコーII (2009)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-35
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 宮原優喜, 三森康義, 上平健太郎, 小坂英男, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、27aPS-72
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 金田文寛, 清水亮介, 三森康義, 小坂英男, 枝松圭一
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、25pZF-9
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会、11a-T-9
  • 発表場所: 熊本大学黒髪キャンパス
• [図書] 「フォトニックナノ構造の最近の進展」、第3編「量子情報,量子通信」第3章「光メディアと電子メディア変換」執筆 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 総ページ数: 13
  • 出版者: CMC出版
• [図書] 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)
  • 著者名/発表者名: 小坂英男
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 電子情報通信学会