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2016 年度 実績報告書

格子歪を介した単一スピンと機械的振動との結合

公募研究

研究領域ハイブリッド量子科学
研究課題/領域番号 16H01048
研究機関筑波大学

研究代表者

黒田 眞司  筑波大学, 数理物質系, 教授 (40221949)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード量子ドット / 顕微分光 / 単一スピン / 格子歪
研究実績の概要

本研究は、遷移元素の原子1個を含む量子ドットを含む微細構造で、遷移元素の単一磁性スピンと格子歪とのカップリングを利用して、単一スピンと機械的振動との結合を実現することを目標として研究を行う。具体的には、遷移元素Crの原子1個を含むCdTe量子ドットを対象として、ドット中の励起子発光より単一Crスピンの振舞い、特に格子歪の影響を調べ、格子歪によるCrスピンを変調および制御する手法の開発を目指す。今年度は、分子線エピタキシー法によりCr原子1個を含むCdTe自己形成ドットを作製し、顕微発光測定により個々のドットからの発光を分離して観測し、その発光特性を詳細に調べた。その結果、励起子とCrの単一スピンとの交換相互作用により分裂した鋭い発光線からなる特徴的な発光スペクトルを観測した。発光スペクトルの形状、偏光特性、ならびに磁場印加下によるスペクトルのシフトを調べ、理論計算の結果と比較することにより、Cr2+イオンのd電子のエネルギー準位に対する格子歪の影響を詳細に解析した。その結果、自己形成ドット中の面内の格子歪により、Crスピンのz成分Szに応じて10meV程度のシフトが生じることがわかった。この格子歪による準位のシフトにより、S=2の5つの準位のうちSz=±2の準位は低温では励起されず、3本の発光線が観測される。Cr2+のd電子状態は有限の軌道角運動量L=2を有するため、結晶場分裂とスピン軌道相互作用を通じて、格子歪の影響を強く受けると考えられる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Cr原子1個を含むCdTe自己形成ドットの発光特性の詳細な解析により、Cr2+のd電子のエネルギー準位に対する格子歪の影響を明らかすることができたため。

今後の研究の推進方策

ドット中のCrスピン状態に対する格子歪に影響を見るため、比較対照用に歪の無いCdTeドット試料の作製に着手する。無歪ドットはCdTeを井戸層、(Cd,Mg)Teを障壁層とする単一井戸構造で、井戸幅揺らぎにより励起子の0次元閉じ込めが期待される。CdTe層に微量のCrを添加することにより、ドットあたりCr原子1個を含む単一スピンのドット試料の作製を試みる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] CNRS, Institut Neel(France)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS, Institut Neel
  • [雑誌論文] Resonant optical control of the spin of a single Cr atom in a quantum dot2017

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Utsumi, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 95 ページ: 035303

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.95.035303

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Individual Cr atom in a semiconductor quantum dot: Optical addressability and spin-strain coupling2016

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Utsumi, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
    • 雑誌名

      Physical Review B (Rapid Communications)

      巻: 93 ページ: 161301 (R)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.161301

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin dynamics of an individual Cr atom in a semiconductor quantum dot under optical excitation2016

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Utsumi, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 109 ページ: 053103

    • DOI

      10.1063/1.4959243

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Cr原子1個を含むCdTe量子ドットの作製と単一Crスピンの光学的制御2016

    • 著者名/発表者名
      内海駿人,須永雅弘,Alban Lafuente-Sampietro, Lucien Besombes, Herve; Boukari, 黒田眞司
    • 学会等名
      第21回半導体におけるスピン工学の基礎と応用
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2016-12-12 – 2016-12-13
  • [学会発表] Fabrication of CdTe dots containing a single Cr with and without strain2016

    • 著者名/発表者名
      H. Utsumi, K. Sakamoto, S. Kuroda, A. Lafuente-Sampietro, H. Boukari, L. Besombes
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids (PASPS-9)
    • 発表場所
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical probing and dynamics of a Cr spin in a semiconductor quantum dot2016

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Utsumi, H. Boukari, S. Kuroda, L. Besombes
    • 学会等名
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids (PASPS-9)
    • 発表場所
      神戸国際会議場(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2016-08-08 – 2016-08-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Individual Cr atom in a semiconductor quantum dot -optical addressability and spin-strain coupling2016

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Boukari, L. Besombes, H. Utsumi, S. Kuroda
    • 学会等名
      33rd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2016)
    • 発表場所
      Bejing, China
    • 年月日
      2016-07-31 – 2016-08-05
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic properties of an individual Cr atom in a semiconductor quantum dot2016

    • 著者名/発表者名
      A. Lafuente-Sampietro, H. Boukari, L. Besombes, H. Utsumi, S. Kuroda
    • 学会等名
      9th International Conference on Quantum Dots (QD2016)
    • 発表場所
      Jeju, Korea
    • 年月日
      2016-05-22 – 2016-05-27
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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