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本研究では、量子ドット構造を対象としてスピンのコヒーレント操作へ向けた研究を、その機能性およびそれに適した材料系の観点から研究を行った。スピン操作をする系として、強磁場中のGaAs/AlGaAsアンチドットの束縛されたエッジ状態とカーボンナノチューブ量子ドットに閉じこめられた単一電子スピンを具体的な研究対象とした。アンチドットはGaAs/AlGaAs2次元電子ガスを有する基板に化学エッチングを用いてサブミクロン程度の穴をあけることにより形成した。アンチドットに束縛したエッジ状態が形成できていることは、磁場中での量子ホール効果の測定において、プラトー間の遷移領域に抵抗の周期的な振動が観測されたことにより確認することができた。エッジ状態は完全にスピン偏極していることから、本結果はスピン量子ビットへの展開が可能であることを示している。また、カーボンナノチューブを量子ドットとして用いることを考えた。カーボンナノチューブはリソグラフィーでは実現が困難な微細構造を持つことから、量子効果が高温で発現する可能性がある。また、半導体量子ドットと比べて、電子問相互作用エネルギーとゼロ次元離散化準位間隔、1電子帯電エネルギーの大小関係に特徴がある。1本の単層カーボンナノチューブの単電子輸送特性を調べ、スピン操作に有効である2電子殻構造の観測に成功した。このことは、電子数が奇数の時に単一スピン状態が発生できていることを示す。また、これに磁場を印可することにより、1電子量子化準位がゼーマン分裂することを観測し、そのg因子が磁場によらず2という値をとることを明らかにした。このことは、カーボンナノチューブ量子ドットではゼロ次元離散化準位間隔が電子間相互作用エネルギーに比べて十分大きいことに起因している。本結果により、カーボンナノチューブ量子ドットはスピン量子ビットに有効な系であることが示された。
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