希薄磁性半導体量子細線におけるスピン交換相互作用を利用した光機能制御の研究

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CdTe/Cd_<0.75>Mn_<0.25>Te分数層超格子試料構造の形状とMn組成分布を反映した希薄磁性半導体量子細線の理論解析モデルを用いて、多バンド有効質量近似を用いた数値解析により価電子帯バンドミキシング効果と光学特性の磁場依存性を定量的に検証した。Mn組成の成長面内での空間分布がZeemanシフトと直線偏光度の磁場の印加方向異方性に及ぼす影響を明らかにすることで、バリア層に希薄磁性半導体を有する量子細線構造における磁気光学特性の特徴を抽出することができた。さらに、価電子帯バンドミキシングに起因する正孔スピンの磁場方向への再配列によって、CdTe/Cd_<0.75>Mn_<0.25>Te分数層超格子における磁気光学効果の磁場の印加方向異方性を高磁場領域(>3T)で定量的に説明できることが明らかになった。また、近接場光学顕微鏡を用いた分光測定を行い、単一のCdTe/Cd_<0.75>Mn_<0.25>Te量子細線における1次元起子とMnスピン間の相互作用の直接観測を行った。本研究により、単一のCdTe/Cd_<0.75>Mn_<0.25>Te量子細線からの発光線が7meV程度の半値幅を示し、また、発光強度の空間分布が測定温度の変化(5-11K)に敏感に依存することが明らかになった。この発光線幅の広がりは励起子磁気ポーラロン内のMnスピンの磁化の揺らぎに起因すると考えられるため、揺動散逸定理を適用した数値解析を行い、Mnスピンの磁化の揺らぎによって発光線幅が増大することを明らかにした。また、正孔スピンの磁場方向への再配列がMnスピンの磁化の揺らぎと発光線幅の磁場依存性に与える影響を予測した。以上の結果より、希薄磁性半導体量子細線における正孔スピンおよび光学特性の制御性について実験と理論の両アプローチから新たな知見を得ることができた。