単一量子ドット中励起子のRabi振動

鎌田英彦 後藤秀樹
量子物性研究部

 2準位系が強い電磁波に曝された時に生ずるコヒーレントな分布振動、則ちRabi振動は物質と光のコヒーレントな相互作用のうち最も基本的な現象であり、光量子コンピュータ動作の拠り所である。半導体量子ドット中の励起子では、状態の完全な離散化によるフォノン散乱の抑制により長い位相緩和時間が達成されることから、励起子を基本要素としてRabi振動を利用する量子状態操作の実現が期待出来る。
 Rabi振動の観測を目的として、単一InGaAs量子ドット励起子の励起準位をひとつ選び、この準位に共鳴する強い光で励起した際の励起子2準位系の振る舞いを調べた。第1の実験では、下準位への自然放出光のピークが励起光の電界に比例したエネルギー分裂を示すことを見いだした[1]。この分裂は分布振動の周波数に対応する。第2の時間領域での実験では、時間差を有する光パルス対が作る励起子分極間の干渉フリンジの包絡線にRabi振動を反映するうねりを観測した[2]。励起光の強度が弱い場合、第1のパルスで媒質に転写・誘起された分極振動が、長いコヒーレンス寿命によって光パルス終了後も持続するため、第2のパルスが作る分極との干渉振動は約40ps以上の間観測される (図1(a),(b))。一方、光パルスの強度が十分に強い場合には、物質分極の振動に加えて入射光で誘起される分布振動(Rabi振動)が重畳するため、干渉フリンジにはRabi振動周波数が混入し(図1(d)),同時に包絡線にはRabi振動による周期の長い振動が現れる (図1(c))。この振動周期は光電界強度に反比例して短くなり、Rabi振動に起因するものであると確認した。これらの結果は量子ドット励起子を基本要素とする量子ビット回転ゲート操作の実現の可能性を示唆している。

[1] H. Kamada et al., ICPS25, Osaka, (2000) H169.
[2] H. Kamada et al., CLEO Pacific Rim 2001, Chiba, (2001) ThG4-3.

図1 励起強度の増大によって分裂する励起子発光(左図)。励起子分極の干渉(右図);(a)低励起時の包絡線と(b)干渉フリンジ、(c)強励起時の包絡線振動と(d)干渉フリンジ。

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