ハーフメタル強磁性体／半導体へテロ構造を用いたスピン機能デバイスの創出

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半導体中の核スピンはコヒーレンス時間が極めて長いため，固体量子情報デバイスへの応用に期待されている．GaAsに偏極した電子スピンを注入すると，超微細相互作用により電子スピンから核スピンに角運動量が移動し（動的核スピン偏極），偏極した核スピンは電子スピンに磁場（核磁場）として作用することが知られている．我々はこれまでに，核磁場をホイスラー合金/GaAsスピンデバイスを用いて電気的に検出することに成功し，核スピン影響下における電子スピンの輸送特性を明らかにした．ホイスラー合金とは，スピン偏極率が100%であることが理論的に指摘されており，半導体への高効率スピン源として期待されている強磁性体材料である．以上の背景から本研究の目的は，ホイスラー合金を用いた高効率スピン注入デバイスにおいて，核スピンのコヒーレント制御を実現することである．本研究において我々は，核スピンのコヒーレントな振動であるラビ振動をスピン注入デバイスにおいて初めて観測することに成功した．ラビ振動の観測は核スピン量子ビット実現のための第一歩と言える．これまでに，量子Hall系において電気的に，量子井戸において光学的にラビ振動が観測されている．それらの先行研究と比べると，量子Hall系においては，ラビ振動を観測するのに，高磁場・極低温環境(50 mK, 7.3 T)が必要であり，それに対し，スピン注入デバイスにおいては4.2 K, 0.1 T程度の環境でラビ振動が観測された．また量子井戸における光学的手法と比べると光学的手法では，光のスポット径によってデバイスのサイズが制限されるのに対し，スピン注入デバイスは全電気的デバイスであるので微細化が容易に行える．これらのことから，スピン注入デバイスが応用上，核スピン量子ビットへの応用に適していると考えられる．