半導体量子ドットに局在したプラズモンとテラヘルツ光共振器との超強結合状態の研究

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量子ドットや量子ポイントコンタクト（QPC）といったGaAs半導体中に形成されるナノ構造をオンチップのテラヘルツ共振器の近傍に作製することにより、ナノ構造を伝導する電子とTHz共振器との強結合状態を実現する実験を行った。極低温に冷却されたナノ構造に対して、THz電磁波を外部から照射し、そのときに現れるTHz誘起の電流変化（光電流）を入射周波数と面直磁場に関するスペクトルとして計測した。まず、QPCを形成して、光電流スペクトルを計測した結果、二次元電子のサイクロトロン励起と共振器とのコヒーレントな結合状態を示す反交差信号が観測された。特に結合強度を評価すると、この結合系が超強結合状態を達成していることが確認できた。さらにQPCを透過する量子ホールエッジチャネルの本数を制御することで、非常に明瞭な反交差信号の観測できることが分かった。オンチップのTHz共振器の超強結合状態に関する研究は非常に活発に行われているが、電気測定による観測は報告数が非常に限られており、未だ明瞭な信号を得ることは困難であった。本研究では、QPCを用いることで、単一の共振器であっても十分な信号を読み出すことに成功しており、今後超強結合系の理解の更なる進展に貢献するものと期待する。次に、QPCに閉じ込めを強くすると、反交差信号の真ん中にもう一本別の信号が現れることが分かり、これはQPCにおけるサブバンド間の共鳴励起に起因するものと考えられる。さらに、この信号は、反交差信号の高エネルギー側のモードをより高エネルギー側に押し上げるような振る舞いをしており、QPCのサブバンド間励起もTHz共振器に結合していることが分かった。さらに、同様の振る舞いが量子ドットに対しても得られており、これは量子ドットに捕捉された電子の準位間共鳴励起とTHz共振器とのコヒーレントな結合状態を実現しているものと解釈している。