スピントロニクス量子操作研究調整班

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14076106
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (30276414)
• 研究分担者: 石橋 幸治 理化学研究所, 極微デバイス工学研究室, 主任研究員 (30211048) ; 武藤 俊一 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00114900) ; 大野 裕三 東北大学, 電気通信研究所, 助教授 (00282012)
• キーワード: スピン / 半導体 / 量子操作 / 同位体 / スピントロニクス

研究概要

伊藤は、シリコン中の核スピンと電子スピンを利用した量子コンピュータの開発を進めた。核スピン制御に必要な半導体同位体超格子の作製と評価に成功し、量子ビットの選択的アクセスに必要な強磁性体ストライプの開発も進めた。核スピン制御の基礎的な実験も進行している。また、電子スピンを制御するためにSi基板上にGe量子ドットの位置と大きさを制御する試みも開発した。Ge量子ドットをSiキャップ層で覆えば、Geドット直上のシリコン部分に集中するひずみにより電子が局在できると考える。Si中の局在電子スピンのコヒーレンスに関する研究も開始した。
大野は、円偏光励起電子スピンによって大きな核スピン分極が得られるGaAs/AlGaAs(110)量子井戸構造を作製し、強く結合した電子・核スピン系の動的核スピン分極について動的核スピン分極の定常状態の双安定性を時間分解ファラデー回転測定により定量的に調べた。また、井戸幅の異なる(110)GaAs/AlGaAs量子井戸についてg因子の異方性と動的核スピン分極の大きさを系統的に測定した。さらに、(In,Ga)As/(Al,Ga)As量子井戸構造について、GaAs以外の核種の動的核スピン分極および全光核磁気共鳴の実現に向けた実験を進めている。
武藤は、「提案している量子ドットの電子スピンを用いた量子演算ゲートの実現に向けて、四光波混合による量子ドットの共鳴励起でのスピン緩和時間測定、および構想の基本となる結合量子ドットの作製を行い、その光学特性を評価した。結合量子ドットからのフォトルミネッセンスにはキャリアのトンネルの効果が認められた。円偏光励起により低エネルギー側に基底準位があるドットにおけるスピン緩和特性を調べたところ3nsという長い緩和時間とともに、結合の効果と思われる構造依存性が認められた。
石橋は、カーボンナノチューブは数ナノメートルの直径を持っている1次元物質であることから、超微細ナノデバイスへの応用が期待できる。われわれはその1例として、カーボンナノチューブ量子ドットを形成し、単一電子スピンの量子操作の可能性を探索している。単一電子スピンの発生には、量子ドット内の電子数を1にまですることが理想的である。しかし、ここではカーボンナノチューブの大きな離散化量子準位間隔という特長を生かして、多数の電子を含みながらも単一スピンを安定して発生できることを実験的に示すことができた。

研究成果

• [文献書誌] T.Kojima, K.M.Itoh, Y.Shiraki: "Growth and Characterization of ^<28>Si_n/^<30>Si_n Isotope Superlattices"Appl.Phys.Lett.. 83. 2318-2320 (2003)
• [文献書誌] K.M.Itoh, J.Kato, F.Uemura, A.K.Kaliteyevskii, 他: "High Purity Isotopically Enriched ^<29>Si and ^<30>Si Single Crystals : Isotope Separation, Purification, and Growth"Jpn.J.Appl.Phys.Pt.1. 42. 6248-6251 (2003)
• [文献書誌] J.Kato, K.M.Itoh, H.Yamda-Kaneta, H.-J.Pohl: "Host Isotope Effect on the Localized Vibrational Modes of Oxygen in Isotopically Enriched ^<28>Si, ^<29>Si and ^<30>Si Single Crystals"Phys.Rev.B. 68. 035205 (2003)
• [文献書誌] S.Fukatsu, T.Takahashi, K.M.Itoh, M.Uematsu, 他: "The Effect of Partial Pressure of Oxygen on Self-Diffusion on Si in SiO_2"Jpn.J.Appl.Phy.. 42. 1492-1494 (2003)
• [文献書誌] S.Fukatsu, T.Takahashi, K.M.Itoh, M.Uematsu, 他: "Effect of the Si/SiO_2 Interface on Self-diffusion of Si in Semiconductor-grade SiO_2"Appl.Phy.Lett.. 83. 3897-3899 (2003)
• [文献書誌] A.S.Verhulst, D.Maryenko, Y.Yamamoto, K.M.Itoh: "Double and Single Peaks in Nuclear Magnetic Resonance Spectra of Natural and 29Si Enriched Single Crystal Silicon"Phys.Rev.B. 68. 054105(1)-054105(6) (2003)
• [文献書誌] T.Graf, T.Ishikawa, K.M.Itoh, E.E.Haller, M.Stutzmann, M.S.Brandt: "Hyperfine Interactions at Dangling Bonds in Amorphous Germanium"Phys.Rev.B. 68. 205208-205208 (2003)
• [文献書誌] K.Tanigaki, T.Shimizu, K.M.Itoh, J.Teraoka, Y.Moritomo, S.Yamanaka: "Mechanism of superconductivity in the polyhedral-network compound Ba_8Si_<46>"Nature Materials. 2. 653-655 (2003)
• [文献書誌] H.Sanada, S.Matsuzaka, K.Morita, C.Y.Hu, Y.Ohno, H.Ohno: "Hysteretic dynamic nuclear polarization in GaAs/Al_xGal_<1-x>As(110) quantum well"Physical Review B. 68. 241303-241303 (2003)
• [文献書誌] O.Ikeuchi, S.Adachi, H.Sasakura, S.Muto: "Observation of population transfer to dark exciton states by using spin-diffracted four-wave mixing"J.Appl.Phys.. 93. 9634-9638 (2003)
• [文献書誌] H.Sasakura, S.Adachi, S.Muto: "Quantum gates based on electron spins of triple quantum dot"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 6308-6313 (2003)
• [文献書誌] S.Adachi, S.Muto, K.Hazu, T.Sota, K.Suzuki, SF.Chichibu, T.Mukai: "Exciton-exciton interaction and hetro-biexciton in GaN"Phys.Rev.B. 67. 205212/1-205212/5 (2003)