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2012 年度 実績報告書

半導体核スピンの全光ナノプローブ技術と実時間イメージング技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22310063
研究機関北海道大学

研究代表者

足立 智  北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10221722)

研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2013-03-31
キーワード核スピンエンジニアリング / 量子ドット
研究概要

本研究は単一量子ドット(QD)で重要な電子スピン-核スピン間相互作用の制御・応用を目的として,単一QDでの核スピンの全光学的制御を行うことを目標としている.今年度は,核スピン分極揺らぎによる正孔スピン緩和への影響とQDの歪誘起価電子帯混合(VBM)を詳細に調査するとともに,100%核スピン分極達成を目指した新規光ポンピングおよび制御法開発を行った.定常発光のオーバーハウザーシフト,2色ポンププローブ法とカー回転法による時間分解計測を用いた.これらの成果は学術論文(1件掲載予定),学会講演(10件)として発表した.
たとえ単一QDを観測していても,多数回のサンプリング測定を行うならば,測定毎に数万個の核スピン配置は異なり,核磁場揺らぎが生じて電子や正孔スピンを緩和させる.純粋な重い正孔(HH)はx(y)成分を持たないので,スピンのz成分は揺らぎの面内成分と結合せず,緩和は生じない.しかし実際のQDでは,純粋なHHは存在せず,軽い正孔(LH)が混合した状態になる.このため面内スピン成分を持つようになり,揺らぎの面内成分とスピンのz成分の結合が生じ,スピン緩和を引き起こす.即ち核磁場揺らぎによる正孔スピン緩和にはVBMの程度が大きく影響することが分かった.計算と多数の単一量子ドットでのVBMの実測から, InAlAs量子ドットでは電子に比べ10倍のスピン緩和時間(~10 ns)であることを示した.新規光ポンピングおよび制御手法開発については,ます共鳴励起しても発光のオーバーハウザーシフトが観測可能とするために,2カラーポンプ・プローブ法を開発した.次にこれまでの濡れ層励起と異なり,飽和しにくい励起準位への禁制遷移を共鳴励起し,フリップ・プロップ支援禁制遷移を利用する手法により30%以上の高核スピン分極率を達成する見込みを得た.

現在までの達成度 (区分)
理由

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。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (10件) (うち招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Size distribution and its scaling behavior of InAlAs/AlGaAs quantum dots grown on GaAs by molecular beam epitaxy2013

    • 著者名/発表者名
      X. M. Lu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 52 ページ: 025602/1-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.52.025602

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nuclear spin depolarization via slow spin diffusion in single InAlAs quantum dots observed by using erase-pump-probe technique2012

    • 著者名/発表者名
      S. Adachi, R. Kaji, S. Furukawa, Y.Yokoyama, S. Muto
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 111 ページ: 103531/1-6

    • DOI

      doi:10.1063/1.4721902

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct observation of nuclear field fluctuation in single quantum dots2012

    • 著者名/発表者名
      R. Kaji, S. Adachi, H. Sasakura, S.Muto
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 85 ページ: 155315/1-6

    • DOI

      doi:10.1103/PhysRevB.85.155315

    • 査読あり
  • [学会発表] InAlAs量子ドットでの価電子帯の非対称結合効果2013

    • 著者名/発表者名
      足立智
    • 学会等名
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(神奈川県)
    • 年月日
      20130327-20130330
  • [学会発表] 量子ドットにおける核スピン分極の光ポンピングと揺らぎの光学的検出2013

    • 著者名/発表者名
      鍜治怜奈
    • 学会等名
      第68回日本物理学会年次大会
    • 発表場所
      広島大学東広島キャンパス(広島県)
    • 年月日
      20130326-20130329
    • 招待講演
  • [学会発表] 単一量子ドットにおける核磁場揺らぎの実測と電子・正孔スピン緩和2012

    • 著者名/発表者名
      鍜治怜奈
    • 学会等名
      第17回「半導体スピン工学の基礎と応用」研究会:PASPS17
    • 発表場所
      九州大学(福岡県)
    • 年月日
      20121219-20121220
  • [学会発表] 核磁場を利用したInAs 量子リングのg 因子評価2012

    • 著者名/発表者名
      穂積貴人
    • 学会等名
      第17回「半導体スピン工学の基礎と応用」研究会:PASPS17
    • 発表場所
      九州大学(福岡県)
    • 年月日
      20121219-20121220
  • [学会発表] Electro-nuclear and hole-nuclear spin interactions in individual quantum dots2012

    • 著者名/発表者名
      R. Kaji
    • 学会等名
      International Workshop on Spintronic Nano-Materials
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      20121105-20121106
    • 招待講演
  • [学会発表] Size distribution and scaling function of InAlAs/AlGaAs quantum dots grown on GaAs by molecular beam epitaxy2012

    • 著者名/発表者名
      X. M. Lu
    • 学会等名
      The 17th International Conference on MBE
    • 発表場所
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • 年月日
      20120923-20120927
  • [学会発表] 単一自己集合量子ドットにおける核磁場揺らぎの評価2012

    • 著者名/発表者名
      鍜治怜奈
    • 学会等名
      第73回(秋季)応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学・松山大学(愛媛県)
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 量子ドットでの電子・正孔-核スピン結合系のダイナミクス2012

    • 著者名/発表者名
      鍜治怜奈
    • 学会等名
      第73回(秋季)応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学・松山大学(愛媛県)
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] 核磁場を利用したInAs 量子リングのg 因子評価2012

    • 著者名/発表者名
      穂積貴人
    • 学会等名
      第73回(秋季)応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学・松山大学(愛媛県)
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [学会発表] Optical detection of nuclear spin polarization in a single CdTe quamtum well2012

    • 著者名/発表者名
      厳麗平
    • 学会等名
      第73回(秋季)応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学・松山大学(愛媛県)
    • 年月日
      20120911-20120914
  • [備考] 単一量子ドットでの電子と核スピンの動的過程の研究

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/ultrafast/Adachi/research_ja.html

  • [備考] 単一ドット分光で探る自己集合InAlAs量子ドットの光学異方性とドットによる偏光変換

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/ultrafast/Adachi/research_ja.html

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公開日: 2014-07-24  

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