量子ホール領域にある量子ドットを用いた単一スピンのコヒーレント制御

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本研究では強磁場中の量子補ホール状態を利用した単一スピン操作の可能性を検索する。その際対象とする材料および構造はGaAs/AlGaAs2次元電子ガスを用いた量子ドットやアンチドット構造である。本年度は量子ドット構造の電子波に与える磁場の影響に加え、1個のアンチドットの強磁場量子ホール領域での電気伝導特性を測定し、エッジ状態の関係した束縛準位について調べた。アンチドットは表面ゲート法とエッチング法を組み合わせることにより形成した。2方向から1ミクロン程度の間隔をおいて対向する2つの表面ゲートの間に、電子ビーム露光の位置合わせ技術を用いてアンチドットパターンを形成する。そのパターンをアルゴンイオンビームで転写することによりダメージを用いたアンチドット構造を形成する技術を確立した。このようにして形成して1個のアンチドットを含む試料を希釈冷凍機に設とアンチドットの間は量子ポイントコンタクトと見なすことができ、各ゲートを印可することにより空乏化させることができる。強磁場下ではゲート電圧を変えることにより選択的にエッジ状態を反射させたり透過させたりすることが可能である。測定ではエッジ状態間の散乱が可能な領域で(量子ホール効果のプラトー間)、磁場に対する周期的な振動を観測した。この振動はアンチドットに束縛されたエッジ状態が、磁場下ではエッジ状態が囲む面積に入る磁束が磁束量子の整数倍である必要性(AB効果)のために生じている振動である。このことは、アンチドットに束縛された離散的な量子準位が形成されていることを意味している。電気伝導ではこの準位を介した共鳴トンネル電流を測定していることに対応しており、スピン偏極した離散準位を利用した単一スピンのコヒーレント制御の実行可能性を示すことができた。