眞田治樹 寒川哲臣 後藤秀樹 都倉康弘 鎌田英彦
量子光物性研究部
半導体ナノ構造中のスピンは固体中での量子情報の担い手として期待されている。半導体中の単一スピンにアクセスする手段の一つとして注目されているのが、量子ドット中の負のTrion（電子2個と正孔1個で構成される粒子）を用いる方法であり、単一電子スピンの初期化や読み出しが可能となってきている[1, 2]。Trionのスピン特性は構成する電子・正孔の殻およびスピン配置と関連しているため、Trion内部のクーロン・交換相互作用、およびそれらが決めるエネルギー構造が重要な情報を持つ。我々は量子ドット中の電子間および電子正孔間相互作用が外部磁場に強く依存することに着目し、電荷制御量子ドットのフォトルミネッセンス(PL)の磁場依存性を系統的に測定することにより、これまでTrion研究の主な対象であった基底状態に加えて、励起状態の殻およびスピン配置について明らかにした[3]。
試料は厚さ2.8 nmのGaAs/AlGaAs量子井戸界面の単一原子層ゆらぎにより形成される量子ドットを内部に持つn-i ショットキーダイオード構造であり、外部電圧でドット内電子数を制御できる。測定にはファラデー配置となるように超伝導マグネット中に配置されたクライオスタットを用い、低温(6
K)、磁場中の顕微PLスペクトルを測定した。
図1に示す零磁場におけるPLのバイアス依存性では、励起子、Trionの基底準位発光(X0、 X-)が明瞭に識別できる。図2の磁場依存性では、基底準位発光に加え、より複雑な磁場依存性を示す発光A-Eが観測された。2次元調和振動子モデルと配置間相互作用法を用い、Trionのエネルギー構造と各準位から単一電子への発光遷移の振動子強度を計算すると、 A〜Eの発光ピークが、電子間、電子−正孔間相互作用の影響を受けたTrionの励起準位からの発光として説明できることが分かった。このようにして明らかになったTrion励起状態は、これらを積極的に利用した単一スピン操作への応用が期待できる。
本研究の一部は科研費 (19310067) の補助を受けて行われた。
[1] M. Atatüre et al., Science 312 (2006) 551.
[2] D. Press et al., Nature 456 (2008) 218.
[3] H. Sanada et al., Phys. Rev. B 79 (2009) 121303.
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