半導体量子ドットにおける光子から電子スピンへの量子状態転写

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平成23年度は、以下の3点について研究を行った。1.量子ドット-エッジチャネル間スピン依存伝導のトンネル確率比の増強本研究では、量子ドット中の単一電子スピンの読み出しに、量子ドットとエッジチャネルとの間のスピン依存伝導を利用する。このとき、高忠実度の測定には、異なるスピン間で大きなトンネル確率比が必要である。そこで、トンネル確率比の増強の手法として、量子ドットと電子溜めの境界近傍に追加した金属ゲートによる電子密度勾配制御を考案し、試料作製および測定を行った。測定の結果、面直磁場下でクーロン振動強度がスピン状態を反映して変調され、その変調の大きさが追加金属ゲート電圧によって5倍以上変化した。この手法は単一電子スピン読み出しの忠実度向上に有効であることが示唆された。2.量子状態転写を用いた単一電子スピン状態トモグラフィ手法の提案本研究の目指す量子状態転写ではg因子の小さな量子ドットを想定している。転写された電子スピン状態のトモグラフィの手法としては、電子スピン共鳴を用いたものが考えられるが、g因子が小さいときは高い忠実度を得ることは難しいと予想される。そこで本研究では量子状態転写を用いた単一電子スピン状態トモグラフィの手法を提案した。測定対象となる単一電子スピン状態を初期状態とし、そこに量子状態転写によってもう一つ電子スピンを注入し、二電子スピン状態を励起する。二電子スピン状態射影の偏光依存性から、測定対象の電子スピン状態を同定する。この手法では位相緩和が初期状態の準備から光照射までの時間に限られるため、高忠実度のトモグラフィが可能となる3.単一円偏光から単一電子スピンへの角運動量転写実験前年度の研究では、測定中に試料位置が動いてしまい、集光した光の照射は困難であった。この問題は、波長1550nmのダイオードレーザーとInGaAsのCCDカメラを用いて試料を観察することにより解決した。また、遮光マスク上のアパーチャ作製の際に、電子線蒸着後のリフトオフの成功確率を上げるために、遮光マスクの厚さを100nmと薄くした。この試料を用いて、単一円偏光励起単一電子スピン検出実験を行った。スピン一重項状態が励起されたときの単一光子検出回数はスピン三重項状態のそれより大きく、これは単一円偏光から単一電子スピンへの角運動量転写を示唆する結果である。