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光励起による電子スピン量子相関

公募研究

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 23104701
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) 2011-04-01 – 2013-03-31
研究課題ステータス 完了 (2012年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2012年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2011年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
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 / スピンエレクトロニクス / 量子エレクトロニクス
研究実績の概要

本研究プロジェクトでは、光励起により電子系に多様な量子多体効果を発現させることにより、物質の光励起効果を探求し、その活用の道筋をつけることを目的とした。電子には軌道以外にスピンという内部自由度があり、多体電子系の量子性を支配する。本研究では、励起光の偏光によりこのスピン量子性を自在に制御し、多電子系の動的量子相関を観測する。
半導体中の励起子には初期電荷状態に応じて中性励起子と荷電励起子の2種類の素励起状態が存在する。中性励起子では、電子正孔交換相互作用により電子と正孔のスピン状態が強く相関している。しかしながら、横磁場印加時には電子と正孔のスピン状態は互いに異なる時間発展を行い、その差に合わせた時間差パルス励起を行うことによって、そのスピン相関を解くことが可能であることを、タイムビン光子の電子スピンへの状態転写の実験で示した。
一方、例えば-1価の荷電励起子(負のトリオン)では2つの電子対が一重項状態を形成するため、基底準位は電子スピンが、励起準位は正孔スピンが単独で振舞い、励起光子がそれらのスピン状態を決める。このようなトリオン系では、横磁場印加によって無磁場では禁制遷移の暗励起子発光が許容となるが、電子と正孔のg因子の差が大きいときにはΛ型の光学遷移が可能となり、光子系のスピンが電子あるいは正孔のスピンとだけ相関するようになる。この原理を応用し、電子スピンの量子状態をトリオンを仮想励起状態として測定するコヒーレントカー効果によるスピン状態トモグラフィ測定手法を独自に開発し、光子から電子スピンへの状態転写と読み出しの過程が量子的であることを明らかにした。
本研究では、このような光子、電子、正孔が有するスピン自由度間の動的多体量子相関を、量子井戸および量子ドットなどの半導体ナノ構造を用いて探索した。

現在までの達成度 (段落)

24年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

24年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (16件)

  • [雑誌論文] Experimental Activation of Bound Entanglement2012

    • 著者名/発表者名
      Fumihiro Kaneda, Ryosuke Shimizu, Satoshi Ishizaka, Yasuyoshi Mitsumori, Hideo Kosaka, Keiichi Edamatsu,
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 109 ページ: 040501-040501

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Four-Photon Quantum Interferometry at a Telecom Wavelength2012

    • 著者名/発表者名
      M. Yabuno, R. Shimizu, Y. Mitsumori, H. Kosaka, and K. Edamatsu,
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 86 ページ: 010302-010302

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Excitonic Rabi oscillations in self-assembled quantum dots studied by photon echoes2012

    • 著者名/発表者名
      K. Asakura, Y. Mitsumori, H. Kosaka, K. Edamatsu, K. Akahane, N. Yamamoto, M. Sasaki and N. Ohtani
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi ( C )

      巻: 9 ページ: 2513-2516

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Polarization dependence of four-wave mixing via biexcitons in CuCl microcavities2012

    • 著者名/発表者名
      S. Matsuura, Y. Mitsumori, H. Kosaka, K. Edamatsu, K. Miyazaki, Y. Kanatani, D. Kim, M. Nakayama, G. Oohata, H. Oka, H. Ajiki, H. Ishihara,
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi ( C )

      巻: 9 ページ: 2505-2508

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 「ダイヤモンド中の単一NV中心における光子とスピンの量子制御I」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      阿部尚文,*小坂英男,武藤好昭,佐々木匠,新倉菜恵子,三森康義,枝松圭一
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、26aED-3 1712
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 年月日
      2013-03-25
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 「ダイヤモンド中の単一NV中心における光子とスピンの量子制御II」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      新倉菜恵子,*小坂英男,佐々木匠,阿部尚文,武藤好昭,三森康義,枝松圭一
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、26aED-4 1195
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 年月日
      2013-03-25
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 「III-V族自己形成型半導体量子ドットにおけるスペクトル分解フォトンエコーIV」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      渡邊俊太,○三森康義,朝倉健太,小坂英男,枝松圭一,赤羽浩一,山本直克
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、27pEJ-6 1840
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 年月日
      2013-03-25
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 「ダイヤモンド中の単一NV中心における光子とスピンの量子制御I」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      阿部尚文,*小坂英男,武藤好昭,佐々木匠,新倉菜恵子,三森康義,枝松圭一
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、26aED-3 1712
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 「ダイヤモンド中の単一NV中心における光子とスピンの量子制御II」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      新倉菜恵子,*小坂英男,佐々木匠,阿部尚文,武藤好昭,三森康義,枝松圭一
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、26aED-4 1195
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 「III-V族自己形成型半導体量子ドットにおけるスペクトル分解フォトンエコーIV」(oral)2013

    • 著者名/発表者名
      渡邊俊太,○三森康義,朝倉健太,小坂英男,枝松圭一,赤羽浩一,山本直克
    • 学会等名
      日本物理学会2013年春季大会、27pEJ-6 1840
    • 発表場所
      広島大学 東広島キャンパス
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 「III-V族自己形成型半導体量子ドットにおけるスペクトル分解フォトンエコーIII」2012

    • 著者名/発表者名
      渡邊俊太,三森康義,朝倉健太,小坂英男,枝松圭一,赤羽浩一,山本直克
    • 学会等名
      日本物理学会2012年秋季大会、18aPSB-36 1316
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2012-09-18
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] 「CuCl微小共振器中励起子分子のエネルギー緩和」2012

    • 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,金谷侑佳,金大貴,中山正昭,大畠悟郎,岡寿樹,安食博志,石原一
    • 学会等名
      日本物理学会2012年秋季大会、18pHB-5 1431
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2012-09-18
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] 「III-V族半導体量子ドットのフォトンエコー信号における局所電場効果」2012

    • 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
    • 学会等名
      日本物理学会2012年秋季大会、20pFJ-2 3396
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2012-09-18
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Time-bin photonic state transfer to electron spin state in solids2012

    • 著者名/発表者名
      Hideo Kosaka, Takahiro Inagaki, Ryuta Hitomi, Fumishige Izawa, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
    • 学会等名
      11th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing (QCMC 2012)
    • 発表場所
      Wienna, Austlia
    • 年月日
      2012-07-30
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Activation of Bound Entanglement in a Four-Qubit Smolin State (poster)2012

    • 著者名/発表者名
      F. Kaneda, R. Shimizu, S. Ishizaka, Y. Mitsumori, H. Kosaka and K. Edamatsu ,
    • 学会等名
      11th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing (QCMC 2012)
    • 発表場所
      Wienna, Austlia
    • 年月日
      2012-07-30
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Coherent transfer of time-bin photons to electron spins in a semiconductor2012

    • 著者名/発表者名
      Hideo Kosaka, Takahiro Inagaki, Ryuta Hitomi, Fumishige Izawa, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
    • 学会等名
      The 31st international conference on the physics of semiconductors (ICPS2012)
    • 発表場所
      Zurich, Switzland
    • 年月日
      2012-07-29
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Polarization Dependence of Four Wave Mixing via Biexcitons in CuCl Microcavities (poster)2012

    • 著者名/発表者名
      S. Matsuura, Y. Mitsumori, H. Kosaka, K. Edamatsu, K. Miyazaki, Y. Kanatani, D. Kim, M. Nakayama, G. Ohata, H. Oka, H. Ajiki and H. Ishihara,
    • 学会等名
      Fifth International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA12)
    • 発表場所
      Nara, Japan
    • 年月日
      2012-06-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Polarization state transfer from a photon to an electron spin in a gate-defined single quantum dot2012

    • 著者名/発表者名
      Hideo Kosaka, Takeshi Kutsuwa, Takahiro Inagaki, Ryuta Hitomi, Fumishige Izawa, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, and Keiichi Edamatsu
    • 学会等名
      The 7th International Conference on Quantum Dots (QD 2012)
    • 発表場所
      SantaFe, USA
    • 年月日
      2012-05-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書 2011 実績報告書
  • [学会発表] Coherent Transfer of Time-bin Photons to Electron Spins in a Semiconductor2012

    • 著者名/発表者名
      Hideo Kosaka, Takahiro Inagaki, Ryuta Hitomi, Fumishige Izawa, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics Laser Conference (CLEO/QELS2012)
    • 発表場所
      SanJose, USA
    • 年月日
      2012-05-06
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Coherent Transfer of Time-bin Photons to Electron Spins in a Semiconductor

    • 著者名/発表者名
      Hideo Kosaka, Takahiro Inagaki, Ryuta Hitomi, Fumishige Izawa, Yoshiaki Rikitake, Hiroshi Imamura, Yasuyoshi Mitsumori, Keiichi Edamatsu
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics & Laser Conference (CLEO/QELS2012)
    • 発表場所
      SanJose, USA
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-04-06   更新日: 2018-03-28  

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