Control of single spin state by lattice strain and phonon-mediated spin-spin interaction

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本研究は、フランス国立科学研究センター(CNRS)のネール研究所のL. Besombesらとの共同研究により、半導体ドット中の単一磁性スピンの種々の振舞い、特に格子歪との結合の様態を明らかにし、格子振動によるスピンの変調と制御を実現し、格子振動を媒介としたスピン間の量子情報伝達への道を拓くことを目的としている。今年度は以下の研究を行った。(1) 前年度に引き続き、CdTe/(Cd,Mg)Teの量子井戸(QW)構造における励起子の零次元閉じ込め構造の作製と光物性測定を行った。これは従来作製して来たCdTe自己形成ドット(SAD)に代わり、QWのCdTe井戸層幅の揺らぎにより励起子を面内でも閉じ込め、零次元に束縛された励起子と単一Crスピンとが相互作用する系を実現するものである。微量のCrを添加したQW試料の顕微フォトルミネッセンス(PL)測定において、単一のCrスピンとの相互作用に伴うと思われる励起子発光線の分裂を観測することに成功した。(2) 一方、Cr添加のCdTe SADでは、これまで単一Crスピンとの相互作用による励起子発光線の分裂が観測されているが、その割合が非常に低いという問題に直面している。SAD中ではCr原子はさまざまな形で取り込まれている可能性があるため、電子スピン共鳴(ESR)測定によるCrの電子状態の解明を試みた。測定の結果、Crを添加していないCdTe SAD試料においてもCdTe結晶中の欠陥に起因すると思われるESR信号が観測され、その信号強度はCrの添加により増大することが明らかとなった。また、Cr添加SAD試料においては、Cr3+, Cr+と思われる信号が観測され、されにCr+の信号は光励起により増強されることを見出した。これらの結果より、SADの作製過程におけるCdTe結晶中の欠陥の生成がCrの添加により促進され、この欠陥がドット中の励起子発光を阻害する要因となっている可能性が示唆された。