3量子ビットの実装へ向けた3重量子ドットにおけるスピン相関とスピン操作の研究

当該年度においては、前年度に横型3重量子ドット試料において(1,1,1)電荷状態を実現したことを踏まえ、少数電子状態でパウリスピンブロッケード状態を実現し、各ドットにおける電子スピン共鳴を検出することを目的として研究を遂行した。従来までは2端子型3重量子ドット試料を用いてきたが、トンネル結合の制御が不十分であったためスピンブロッケードを観測することができなかった。そこで本年度は新たに3重量子ドットの両端だけでなく中央のドットにもリード電極を接続させた3端子3重量子ドット試料を作製し、測定した。その結果、3端子3重量子ドット試料において再び少数電子状態を実現し、量子ポイントコンタクトを用いた電荷検出測定によって(1,1,1)電荷状態であることを同定した。この電子数の近傍ではドット電流測定によって電荷状態安定図において明瞭なバイアス三角形が観測され、トンネル結合が十分に制御されていることを確認した。ここから隣接するドット間の(1,1)-(0,2)電荷遷移近傍におけるバイアス三角形の磁場依存性を測定することで、2重量子ドットでの強結合スピンブロッケードに見られるものと同様のリーク電流特性を得た。さらにゲート電圧のバランスを変えることで異なる(1,1,1)電荷状態を形成し、この近傍においては弱結合スピンブロッケードに特有のリーク電流特性を観測した。これらの結果から、3端子3重量子ドットにおいて強結合および弱結合のスピンブロッケードの実現に成功したと結論付けられる。さらにドット直上に微細加工された微小磁石による傾斜磁場法を用いてスピン回転操作を試みたが、電子スピン共鳴の検出には至らなかった。本研究では電子スピン共鳴の実験に十分な時間を確保できたとは言えず、今後も実験を継続することで当初の目的であった3重量子ドットにおける電子スピン共鳴が実証されることが期待される。

当該年度においては、前年度に横型3重量子ドット試料において(1,1,1)電荷状態を実現したことを踏まえ、少数電子状態でパウリスピンブロッケード状態を実現し、各ドットにおける電子スピン共鳴を検出することを目的として研究を遂行した。従来までは2端子型3重量子ドット試料を用いてきたが、トンネル結合の制御が不十分であったためスピンブロッケードを観測することができなかった。そこで本年度は新たに3重量子ドットの両端だけでなく中央のドットにもリード電極を接続させた3端子3重量子ドット試料を作製し、測定した。その結果、3端子3重量子ドット試料において再び少数電子状態を実現し、量子ポイントコンタクトを用いた電荷検出測定によって(1,1,1)電荷状態であることを同定した。この電子数の近傍ではドット電流測定によって電荷状態安定図において明瞭なバイアス三角形が観測され、トンネル結合が十分に制御されていることを確認した。ここから隣接するドット間の(1,1)-(0,2)電荷遷移近傍におけるバイアス三角形の磁場依存性を測定することで、2重量子ドットでの強結合スピンブロッケードに見られるものと同様のリーク電流特性を得た。さらにゲート電圧のバランスを変えることで異なる(1,1,1)電荷状態を形成し、この近傍においては弱結合スピンブロッケードに特有のリーク電流特性を観測した。これらの結果から、3端子3重量子ドットにおいて強結合および弱結合のスピンブロッケードの実現に成功したと結論付けられる。さらにドット直上に微細加工された微小磁石による傾斜磁場法を用いてスピン回転操作を試みたが、電子スピン共鳴の検出には至らなかった。本研究では電子スピン共鳴の実験に十分な時間を確保できたとは言えず、今後も実験を継続することで当初の目的であった3重量子ドットにおける電子スピン共鳴が実証されることが期待される。