小林嵩1, 2 日達研一1 佐々木智1, 2 村木康二1
1量子電子物性研究部 2東北大学
半導体量子ドット(QD)における電子スピンのダイナミクスはホスト半導体の核スピンに強く影響を受ける。そのため、半導体QDを用いたスピン量子ビットにおいては、核スピンの制御が非常に重要である。今回、我々はその制御性の高さからスピン量子ビットへの応用が有力視されているGaAs横型二重QD(DQD)において、核スピンの動的偏極を示す伝導信号を見出した[1]。さらに、この信号の磁場依存性はドット間の非対称な核スピン偏極を示唆しており、それを用いたスピン量子ビットの高速制御への応用が期待できる。
図1に測定に用いた試料[(a)]と、その少数電子領域でDQDを流れる電流Idot [(b)]を示す。点線で示した台形内部では、2個のドットに同じ向きのスピンを持つ電子が1個ずつ詰まっているために伝導が抑制されるスピンブロッケード(SB)
現象が生じている。
SB領域においては電子スピンが緩和することにより電流が流れるため、伝導はその緩和機構を反映する[2]。この機構を調べるため、図1(b)中の矢印で定義したε と面内磁場B||の関数としてIdotを測定した。各B||でε を掃引した場合［図2(a)］と各ε でB||を上向きに掃引した場合［図2(b)］では特性が異なっており、後者の場合にのみε < 0の広範囲にわたって伝導が現れている。図2(c)に示した異なるB||の掃引方向に対する結果の比較から、この伝導が磁場の掃引方向に対してヒステリシスを示していることがわかる。この結果は、過去の異なる材料・形状のDQDでの報告[3]と同様に、磁場を上向きに掃引した際にDQD内で核スピンが動的に偏極されたことを示している。さらに、この伝導信号が磁場とともに少しずつ増大することから、DQD内の核スピン偏極が2個のドットのどちらか一方で強く生じていることが示唆される。
[1] T. Kobayashi et al., Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 216802.
[2] F. H. L. Koppens et al., Science 309 (2005) 1346.
[3] K. Ono and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 256803; A. Pfund et al., Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 036801; H. O. H. Churchill et al., Nature Phys. 5 (2009) 321.
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