半導体量子ホール端状態を利用した核スピン制御と固体量子情報技術への応用

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GaAs系およびSi系量子ホール素子における核スピン制御に関する基礎研究を行った。AlGaAs/GaAs量子ホール系量子ホール効果ブレークダウン現象はスピン反転を伴う電子散乱を誘起し、核スピンを偏極する可能性がある。量子ホール状態において横型ホールバー素子に大電流を流し、電流電圧測定を行ったところ、核スピン偏極を期待させるヒステリシス現象を確認した。1巻きコイルによりRF磁場を印加したところ、GaとAsの核スピン共鳴周波数付近でNMRを観測した。本手法をさらに発展させ、パルスNMRを用いることで、これらの核スピンのコヒーレント制御にも成功した。これは核スピン量子情報技術の応用に向けた大きな成果といえる。Si/SiGe量子ホール系Si系特有の谷分離に関して、これまで検出されていなかったエッジチャネル非平衡分の観測に成功した。これはSi量子ホール系では電子散乱抑制効果に谷分離の影響も考慮する必要があることを示唆している。また、トップゲート付きコルビノ素子を用いる事で、量子ホールダイオードを試作した。平行磁場(B_<11>)の印加によりZeeman分裂(ΔE_z)を拡大し、ランダウ準位交差を引き起こすことによって、バスク状態のスピン状態を(↓,↑)から(↓,↓)へと転移させると、バルク状態間トンネル伝導が急激に促進される様子を観測した。これはSi量子ホール系におけるバルク状態間トンネル伝導の明瞭なスピン依存性を示唆している。