【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】22360133 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子閉じ込め / 量子ドット / 励起子 / 単一光子 / 等電子準位 / 不純物 / MOCVD

【研究成果の概要】

発光波長や強度などの特性が揃った単一光子源への応用を目指し、III-V族半導体中の等電子不純物による局在準位の制御と利用に関する研究を行った。具体的には、ガリウム砒素中の窒素不純物の最適なドーピング手法を調べ、エネルギーの揃った単一光子発生を世界で初めて実証するとともに、発光寿命や偏光などの特性について明らかにした。本研究によって多くの基礎データが取得でき、今後の技術開発に不可欠な有益な知見が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】20360021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子井戸 / 量子ドット / 濡れ層 / 波動関数 / 界面揺らぎ / 組成揺らぎ / 局在状能 / 近接場光学顕微鏡 / 活性化エネルギー / 局在状態 / 界面物性 / 励起子 / 磁気発光分光

【研究成果の概要】

1～3原子層の厚さを有する量子井戸や量子ドット濡れ層に閉じ込められた電子の波動関数はバリア層に大きく浸み出すため、その電子状態の詳細は、バリア層におけるさまざまな揺らぎを明らかにする上で良いプローブとなる。そこで本研究では、近接場光学顕微鏡を用いたナノイメージング分光法と数値シミュレーションを駆使し、局在電子状態の解明をおこない、バリア層揺らぎとの関連を明らかにした。さらに、局所的な応力印加を利用した量子状態制御のデモンストレーションをおこなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】19360013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 励起子 / 単一光子 / 励起子微細構造 / 光通信波長帯 / MOCVD / 位相緩和 / 発光寿命 / 光通信波長帶

【研究成果の概要】

量子暗号など将来の量子情報通信の要素として重要な波長1.3~1.55μmの光通信波長帯でのもつれ合い光子対発生技術への展開を目指し、ダブルキャップ法によるInAs/InP系量子ドットの形成技術を開発するとともに、ドットの構造評価、および励起子微細構造、多励起子状態、励起子再結合寿命、位相緩和時間に関する観測と評価を行った。本研究によって多くの基礎データが取得でき、今後の技術開発に重要となる新たな知見が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15634011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子計算 / 量子もつれ / フォトン / 量子暗号通信 / 量子通信中継機 / 量子ドット / ラビ振動 / 励起子

【研究成果の概要】

電子や光子,あるいはスピン等の量子もつれを利用する量子計算は,従来の古典的フォン・ノイマン型計算機を凌駕する演算速度が予想され,未来技術として大きな期待が寄せられている。量子計算の実現には種々の方式が提案されていて,現時点でそれらの優劣を判定することは難しい。しかし,モードロックレーザーによる超短光パルスの発生や,複数の波長のレーザー光を用いたラマン過程による複合的な電子系の制御,あるいは,フォトンカウンティング等の高効率検出法の存在を考慮すると,光学的手法が有力候補であることは疑い得ない。本研究では,(1)招待講演者ならびに公募講演者によるシンポジウムの開催,および,(2)主要な国際会議の聴講による研究動向調査を行って,固体中の光学過程を用いた量子計算実現の可能性について総合的な調査研究を行った。
平成15年8月18日,19日の両日につくば市の物質・材料研究機構で開催したシンポジウム「固体中の光学過程による量子計算の可能性」では,14名の講演者が(1)量子暗号通信,(2)量子もつれ合い光子対の生成,(3)量子通信中継機,(4)量子ドット中電子準位の光学的操作,(5)単一ドットの励起子ラビ振動,(6)共振器QED,(7)輻射場設計と量子計算,等々のテーマについて講演し,議論を深めた。国際会議については,(1)第48回SPIE国際会議Quantum Communications and Quantum Imaging(ロサンゼルス),(2)第16回国際レーザー分光会議(ヶアンズ),(3)CLEOヨーロッパ(ミュンヘン),(4)Photonics West(サンノゼ)にそれぞれ1名を派遣して,量子計算と関連分野の最新の研究動向を調査した。
以上の調査研究の成果に基づいて,光学的量子計算の実現を目指す「エキゾチックフォトンの研究」を平成16年度新規特定領域研究課題として提案した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15340093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトンエコー / ラビ振動 / 量子ドット / 励起子 / GaAs / 位相緩和 / 非マルコフ過程

【研究成果の概要】

GaAs(11nm)/AlGaAs量子井戸の界面揺動によって作られたアイランド構造をGaAs量子ドットとして使用し、フォトンエコー法を用いて、この系の励起子位相緩和過程および励起子系のラビ振動の可能性を調べた。その結果、励起子系の位相は減衰時間〜1nsで非常にゆっくりと減衰していることが判明した。通常の量子井戸の励起子の位相緩和時間は1ps程度であるのでそれから比べると量子ドット内の励起子の位相緩和は極端に長いことが分かった。この滅衰時間から単一量子ドット中の励起子準位のスペクトル幅は〜1μeVと見積れ、非常に狭いことが判明した。同様な結果はGaAs(9nm)/AlGaAs量子井戸中のアイランド構造に捕まった励起子に対しても得られた。
励起光の強度を変化させるとフォトンエコーの信号強度が大きく変化することも見出した。励起強度の増加に伴いエコー強度は振動的に大きくなったり、小さくなったりしている。この振る舞いはレーザー光との相互作用により量子系の2つの準位間を励起が行ったり来たりする現象であるラビ振動を考えると理解できる。したがって、この結果は結晶の基底状態と励起子状態の2つの準位間のラビ振動である励起子ラビ振動を観測していると考えられる。通常、位相緩和時間が非常に短いため、固体中でラビ振動を観測するのは難しいが、励起子の位相緩和時間が〜1nsと極端に長い我々の量子ドット中では比較的弱い励起強度でもラビ振動が観測できている。更に、このラビ振動が励起子・励起子相互作用を反映して、強度とともに振幅が大きくなり、周期の長くなる振動であることも判明した。
ラビ振動は量子コンピューティングの基本操作であるqビットの回転を行うための必須の現象であるので、本研究の結果は量子ドットが量子コンピューティングの論理回路構成材料として有望であることを示すデータとなっている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】16,700千円 (直接経費: 16,700千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】14350001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コヒーレント制御 / 電子スピン / 量子ドット / 円偏光 / 緩和時間 / 励起子 / 寿命 / 緩和機構 / 量子演算 / 光スイッチ / 時間分解発光 / スピン緩和

【研究成果の概要】

15層積層したInAlAs/AlGaAs量子ドットを試作、非共鳴励起下でのスピン緩和測定を試みた。実験は発振波長780nm、パルス幅80fsのチタンサファイアレーザーを励起パルス光源とし、右回り円偏光(σ+)パルスで試料を励起し、その発光のσ+成分と左回り円偏光(σ-)成分を分けてストリークスコープを用いて時間分解発光測定した。分光器の入射スリット手前に1/4波長板と偏光子を置き、発光を一度直線偏光に変換し、偏光子により水平および垂直直線偏光発光成分を分けて測定することで発光の偏光を識別した。試料は、10Kに冷却した。励起エネルギーと検出エネルギーとの差はおよそ100meVである。直線偏光励起での時間変化は単一指数関数で良くフィッティングでき、励起子の寿命(再結合時間)は約1.18nsと見積ることができた。σ+成分とσ-成分との差の減衰はスピン緩和時間をτ_sとするとexp(-2t/τ_s)で与えられる。これから得られたスピン緩和時間τ_sは1.31nsとなり励起子再結合時間と同程度となることが分かった。2次元量子井戸に比べて非常に長いスピン緩和時間となっており、井戸で有効なスピン緩和機構が量子ドットでは消失したと解釈できる。量子ドットが電子スピンのコヒーレント制御に好適な材料であることが確認できた。
次世代のスピントロニクス材料としてワイドギャップ半導体およびポリフェニルアセチレン(PPA)の磁気的性質を調べた。PPAではスピングラス的な磁気的性質に加えて、磁場-磁化(M-H)曲線が閉じないことなど極めて興味深いスピン物性を示すことが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】17,100千円 (直接経費: 17,100千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】03452178 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ共振器 / 半導体レーザ / 量子細線 / 量子ドット / 励起子 / 選択成長 / MOCVD / 量子効果 / 垂直共振器 / 量子井戸レ-ザ / 量子箱 / フォトルミネッセンス / 半導体レ-ザ

【研究成果の概要】

本研究では、半導体レーザにおいて電子波と光波の両方の量子場の完全制御をおこない、次世代の超高性能レーザのあり方を浮き彫りにすることを目的として、電子波を完全に制御する量子構造(量子井戸、または量子細線・量子箱)と、光波を完全に制御する3次元的なマイクロ光共振器を有する量子マイクロ共振器レーザの作製技術の開拓とこのようにモードが完全に制御された光の場と電子波との相互作用の理論的・実験的究明をおこなった。
まず、量子細線・量子ドットの作製技術の確立をめざして、MOCVD選択成長によるGaAs量子細線・量子ドットの実現をはかり、その光学的性質を明らかにした。その結果、一辺が7nm程度のGaAs電子細線および横寸法25nmの量子ドットを作製することに成功した。さらにさまざまな寸法の量子細線を作製について、そのフォトルミネッセンス(PL)、PL励起スペクトルの測定を行い、量子準位に対応したピークのブルーシフトが得られることを示した。さらに、励起子の寿命を測定し、量子細線閉じ込めが強くなると、長くなるとを見いだした。
一方、半導体マイクロ共振器効果については、垂直共振器の反射スペクトルにおいて、励起子モードと共振器モードの結合による共振モードの分離現象を観測した。その結果、励起子モードと共振器モードのエネルギーが一致しているとき、結合効果によるスペクトルの分離を観測することに成功した。この現象は真空Rabi振動と解釈できる。さらに、選択成長を用いてエッチング技術を用いずに3次元マイクロ共振器の作製を試みた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)