量子光物性研究部
半導体量子ドットは、原子状の状態密度を持ち、かつ原子より大きい光との相互作用効果がある。また、光照射によって形成される励起子と励起子分子は、量子ドット内に閉じ込められるため、安定に存在することができる。これらの特徴から、量子ドットは、量子情報処理分野において情報の基本要素である量子ビットを実現させ、かつ量子計算時でのゲート操作をも提供することが期待され、注目を集めている。量子ドット中の励起子と励起子分子は、コヒーレントに相互作用する可能性があり、これは、2量子ビットの量子相関の源となるとともに、量子干渉効果を用いた光機能への発展も期待できる。
我々は、単一InGaAs量子ドット中にレーザを照射して、励起子と励起子分子を生成し、両方の光吸収スペクトルを測定した。励起子と励起子分子の間にコヒーレント効果が存在すれば、吸収スペクトルに反映されることが予測される。実験方法は顕微フォトルミネッセンス（PL）法である。図１は、2種類の励起強度での励起子（X）と励起子分子（XX）の吸収スペクトルの測定結果である。励起強度が弱い場合は、両方ともピーク状のスペクトルとなっている。しかし、励起強度が強い場合は、両方のスペクトル形状は大きく異なる。励起子分子は、線幅が拡がったピーク状のスペクトルであるが、励起子は窪み構造をもった特異なスペクトルとなっている。このスペクトルの原因は図２で説明される。実験では、励起子と励起子分子から構成される3準位系が形成されている。この3準位系は、励起強度によって変化し、励起強度が強い場合は、励起子と励起子分子との間で激しくラビ振動を起こし、エネルギー状態が分裂する。これが窪み構造の原因となる。この効果は、励起子-励起子分子間のコヒーレント効果そのものであり、実験結果はコヒーレント効果の検証となることを意味する。[1,2]
本結果は、励起子と励起子分子を2量子ビットとする量子ゲートの実現とともに、光デバイス機能につながる量子干渉効果の観測のための重要なステップとなる。
[1] H.Gotoh, et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 3480.
[2] H.Gotoh, et al., Phys. Rev. B in press
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図１ 励起子・励起子分子光吸収特性 |
図２ エネルギーダイアグラム |
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