走査型近接場光学顕微鏡を用いた半導体量子ドットのコヒーレント制御

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650035
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 戸田 泰則 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00313106)
• キーワード: 近接場光学顕微鏡 / 半導体量子ドット / コヒーレント制御

研究概要

本研究の目的は、走査型近接場光学顕微鏡を用いた単一量子ドット(QD)分光を通してQDの新しい物性を探索し、これを時空間に制御された近接場光を使った量子状態制御へと発展させることにある。昨年度は共鳴の位相緩和の測定と、近接共鳴を利用した量子干渉の生成と観測を行った。本年度は共鳴の均一幅に関して、緩和メカニズムの解明を目的とした実験を行った。
自己形成量子ドット(SAQD)の大きな特徴のひとつは、広いエネルギー間隔を持つ離散的なエネルギー構造である。このエネルギー構造は、音響フォノンを介したキャリア緩和を、高次元構造などに比べて著しく減少させる。その結果、量子情報処理への応用に適した長いコヒーレンスを実現することが期待される。他方、SAQDのバンド間エネルギー差は光学フォノンのエネルギーよりも広いため、発光励起スペクトル(PLE)に現れる零吸収域には、出射光に共鳴した光学フォノンラマン線が観測される。このことはSAQDのキャリア緩和に光学フォノン緩和が存在することを示している。すなわちQDにおける次元低下に伴う緩和経路の減少が、キャリアと光学フォノンの相互作用を顕著にする。さらに2LOのエネルギー領域では、光学フォノンと同時に励起準位も存在していると考えられるため、多数の緩和過程が存在する。本年度の研究では、これら2LOの励起共鳴が高速のフォノン緩和過程を含むことを明らかにした。観測される高速フォノン緩和は励起子基底準位発光よりも速いため、低い励起強度で効率的な励起子分子生成を可能にする。この様子は励起強度を変化させるときに励起子共鳴に見られるピークからディップへの変化から確認される。さらにディップは広い線幅を持つピークの中心に現れ、単一QDのPLE共鳴が不均一広がりを含むことが確認された。すなわち高速な光学フォノン緩和経路と結合した緩和経路が存在し、これが単一QDのPLE共鳴に不均一広がりを与えている。したがってフォノンとの相互作用を低減することにより、励起準位の共鳴が得られる。二色励起のスペクトルでは、フォノン共鳴の抑圧と不均一広がりの除去された励起準位に対応する共鳴ピークの存在が明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] Yasunori Toda: "Observation of dip structures in PLE spectra of a highly excited single self-assembled quantum dot"Physica E. (in press). (2002)
• [文献書誌] Y. Toda: "Quantum interference due to continuum states in single self-assembled quantum dots"Technical Digest of Quantum Electronics and Laser Science Conference. 20-21 (2001)
• [文献書誌] Yasunori Toda: "Resonant Raman scattering of optical phonons in self-assembled quantum dots"Physica E. 8. 328-332 (2000)
• [文献書誌] Yasunori Toda: "Near-field coherent excitation spectroscopy of InGaAs/GaAs self-assembled quantum dots"Applied Physics Letters. 76. 3887-3889 (2000)
• [文献書誌] Yasunori Toda: "Near-field spectroscopy of a single InGaAs self-assembled quantum dots"IEEE Journal of Selected Topics in Quantum electronics. 6. 528-533 (2000)
• [文献書誌] Y. Toda: "Time correlation measurement on single self-assembled quantum dots"Technical Digest of Quantum Electronics and Laser Science Conference. 36-36 (2000)
• [文献書誌] Y. Toda: "Carrier interaction in self-assembled quantum dots studied by single dot spectroscopy"Technical Digest of Quantum Electronics and Laser Science Conference. 75-75 (2000)
• [文献書誌] Y. Toda: "Near-field spectroscopy of a single InGaAs quantum dot"Proceedings of the Fourth Symposium on Atomic-scale Surface and Interface Dynaics. 71-74 (2000)
• [文献書誌] Y. Toda: "Many body effects in single self-assembled quantum dots observed by near-field photoluminescence excitation spectroscopy"Proceedings of International Conference on the Physics of Semiconductors. D. 300-300 (2000)