磁気光学効果による半導体量子井戸中の電子スピン状態トモグラフィ測定

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本研究では,光子の持つ偏光状態を半導体量子井戸中の電子スピン状態へと転写する量子メディア変換を実施し,生成された電子スピン状態の光学測定手法の開発を目的とした.まず,磁気光学効果を用いたトモグラフィックカー回転測定の手法を確立し,電子スピンの重ね合わせ状態も含めた状態トモグラフィ測定を可能とした.これにより,生成された電子スピン状態を表す密度行列を光学測定により再構成することが可能となり,これを入力に用いた光子の偏光状態の密度行列と比較することによって,本研究で実施した量子メディア変換の忠実度評価を行うことが可能となった.加えて,本研究で実現した電子スピン状態トモグラフィ測定を利用することで,量子メディア変換における入出力状態の相関間関係を測定した.これにより,量子過程そのものを評価するプロセストモグラフィ測定が可能となり,実際にプロセストモグラフィ測定実験を行った.また,吸収率変化を用いた電子スピン状態トモグラフィ測定の実証実験を行った.電子スピン測定に用いるプローブ光の波長依存性を測定することで,この吸収率変化を利用した電子スピン状態トモグラフィ測定が,複素カー効果の虚部の効果を反映したものであることを確認した.先に述べたトモグラフィックカー回転測定は複素カー効果の実部の効果を利用した電子スピン状態トモグラフィ測定であり,これらの2つの測定手法の根底にある複素的な相関が,電子スピンの重ね合わせ状態に関しても成立することを実証した.以上,本研究では電子スピン状態トモグラフィ測定の手法の開発を通して,半導体量子井戸中の電子スピンの重ね合わせ状態により生じる複素カー効果の実部・虚部の効果が,共に電子スピンの光学測定に利用可能であることを実証した.加えて,開発された手法を用いることで,光子から電子スピンへの量子メディア変換の忠実度評価およびプロセストモグラフィ測定を実現した.