| 研究課題/領域番号 |
21J21289
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
福田 源希 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 半導体スピン量子ビット / 量子ドット / スピン / 偏光 / 量子状態変換 / 非ドープ型量子井戸 / 面内PN接合 / 量子ホール効果 |
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| 研究実績の概要 |
まず、昨年度末から続いて非ドープ型GaAs/AlGaAs量子井戸基板を用いた面内p-i-n接合素子において3He冷凍機を用いた磁気輸送特性の測定を行った。量子ホールエッジ状態が形成される面直高磁場下でpn接合間に順バイアス電流を流し縦抵抗を測定したところ、p側とn側のトップゲート電圧の変化に対して縦抵抗が量子化している振る舞いが見られた。これはp領域とn領域それぞれに形成されたエッジチャネルを介したpn接合間の伝導を示唆していると考えており、スピン偏極したpn接合間の伝導による偏光発光の可能性を示している。しかし、デバイスの動作不良により電荷密度などのデータの不足があり詳細な議論には素子構造の改善や追加の測定が必要となっている。
また、昨年度以前に行った非ドープ型GaAs量子ドットに対する光照射の実験に関して論文化するにあたって、LEDを使用した光照射の極低温化での波長と照射強度の確認・見積もりを行った。量子井戸の励起波長の光が照射されていたことや光子照射数と光子吸収効率に対する得られた光励起電子の信号数の妥当性が得られ、これまでの議論に破綻がないことを確かにした。
光照射に対して安定した量子ドット素子の開発に関しては、短周期超格子中のGaAsへドーピングによりDXセンターの低減を狙って作製された構造の評価を行った。光照射に対する電子密度や量子ドット電極によるピンチオフ電圧の変化が飽和したことを確認でき、光子から電子への量子状態変換を行うための素子として有用性を示した。一方、短周期超格子中へのドーピングに起因したより大きなピンチオフ電圧や時間経過によるオーミック抵抗の増大などの課題も確認されており、量子ドットを動作させるには改善が必要であることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の予定にはなかったが、非ドープ型GaAs/AlGaAs量子井戸を用いた量子ドット素子の作製技術を応用した面内p-i-n接合素子において、昨年度末の実験から続いてエッジチャネルを介したpn接合間の伝導を示唆する結果を得ることができた。これは本提案で非ドープ型素子の応用として挙げていたスピンから光子への逆変換による偏光発光の実証につながる成果である。pn接合におけるエッジチャネルを介した再結合の理解や偏光発光の実現のためには充填率の制御性がより良い素子が必要となるが素子構造の改善により実現可能である。
一方、光励起単一電子スピン操作の実証に向けた実験に関しては光照射に対して安定した量子ドット素子の開発に遅れが生じている。短周期超格子中のドーピングを用いた構造の結果からDXセンターの排除だけでなく基板表面の絶縁層とトップゲートの排除によっても光照射に対する安定性が向上したことが考えられ、早期に開発する予定であったバックゲートを有した構造による量子ドット素子の優位性が間接的に示された。しかし、本構造の開発は本年度末ごろからオーミック電極作製の条件だしに取り掛かっている段階であり遅れが生じている。
測定手法に関しては、光励起電子スピンの読出手法として読出速度やキャリブレーションの観点から有用であると考えれる、Ramp電圧を活用したエネルギー選択スピン読出の活用を新たに提案している。希釈冷凍機中のサンプルへの偏光照射の手法は冷凍機中に光ファイバーを導入する方法へ変更予定であり光学系の構築へ取り掛かっている。これら測定手法や測定系の具体的な構想がまとまり、光励起電子スピン操作の実験に向けた方針が立った。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き光励起電子スピン操作の実験のための量子ドット素子作製と光学系のセットアップを行う。素子作製に関しては、まず共同研究先に依頼し提供された基板底面にn型GaAsのバックゲートを備えた量子井戸基板においてオーミック電極の作製条件を確立し二次元電子ガスが誘起できていることを確認する。その後、オーミック電極や電子誘起面積の高速スピン読出のための小面積化、電子スピン測定と操作を有効に行うための微小マグネット構造などの設計を行ったのち量子ドット素子を作製する。
測定系のセットアップに関しては、偏光光子の照射を行うための希釈冷凍機へのシングルモードファイバーの導入と量子ドット素子への集光を行うためのサンプルホルダーの設計・作製を行う。また、電子スピンの光励起からスピン読出や操作までは電子スピンの緩和時間より十分早く行う必要があるため、AWGによるスピン読出の電圧信号の出力とレーザーパルスの照射の同期のためのセットアップを構築する。
その後、完成した素子とセットアップを用いて測定を行い、光励起単一電子の連続検出、光励起電子スピンの高速読出、光励起電子スピンの操作の順に実証実験に取り組む。光励起単一電子の連続検出に関しては、光励起単一電子の生成レートや量子ドットの光安定性・補正制御などの評価・実証を行う。続けて光励起電子スピンの高速読出の実証に進展し、AWGと同期した偏光光子のレーザーバルス照射と光励起単一電子の連続検出・補正制御手法を組み合わせて実証に取り組む。この時点で光励起単一電子スピン操作のための要件であった光励起単一電子スピンの統計的測定や光子照射下での量子ドットの精密制御が可能となり、光励起単一電子スピン操作の実証に進展する。
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