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JP5554627B2 - Semiconductor electron spin operating method and apparatus - Google Patents
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Description

本発明は、半導体中に生成された電子のスピンを操作する半導体電子スピン操作方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor electron spin manipulation method and apparatus for manipulating spins of electrons generated in a semiconductor.

電子スピンは、上向きおよび下向きの状態があることが知られている。このスピンは、量子として振る舞うため、上向きと下向きの状態の組み合わせである中間状態をとることも可能である(非特許文献1参照)。従って、電子スピンは、量子ビットの基本的な要請を満たしており、電子スピンを基本的な要素として計算機を構成することが可能となる(非特許文献2参照)。このような電子スピンを用いた計算機は、電子スピン量子コンピュータと呼ばれている。   It is known that electron spin has an upward state and a downward state. Since this spin behaves as a quantum, it can take an intermediate state that is a combination of an upward state and a downward state (see Non-Patent Document 1). Accordingly, the electron spin satisfies the basic requirement of the qubit, and a computer can be configured with the electron spin as a basic element (see Non-Patent Document 2). Such a computer using electron spin is called an electron spin quantum computer.

量子ビットの基本要請には、先に延べたような中間状態がとれることに加え、その状態を自在に制御可能なこと(回転操作)、初期化が実施可能なこと、が含まれる。電子スピンの向きは、通常ではランダムであり、初期化操作を行って上向きか下向きに揃える必要がある。この初期化について、半導体量子ドット構造を用いた実験結果が報告されている。   The basic request for a qubit includes that the intermediate state as previously described can be taken, that the state can be freely controlled (rotation operation), and that initialization can be performed. The direction of the electron spin is usually random, and it is necessary to perform an initialization operation to align it upward or downward. For this initialization, experimental results using a semiconductor quantum dot structure have been reported.

初期化の1つとして、量子ドット構造に電子注入用の電極を設け、かつ外部から磁場を印加する方法がある(非特許文献3参照)。この手法では、注入した電子の初期化が可能であり、ほぼ100%の初期化が実現されているが、初期化のメカニズム上、素子に電極を設けること、および外部の磁場が必須である。   As one of initialization methods, there is a method of providing an electron injection electrode in a quantum dot structure and applying a magnetic field from the outside (see Non-Patent Document 3). In this method, the injected electrons can be initialized and almost 100% can be initialized. However, an electrode is provided on the element and an external magnetic field is essential for the initialization mechanism.

他の初期化として、電極を用いず、量子ドット構造に電子をドーピングした試料を用い、強磁場下で実験を行った報告がある(非特許文献4参照)。この手法では、90%以上の初期化が実現されているが、初期化対象の電子密度の制御が非常に困難で、かつ外部の強磁場なしでは、初期化は実現できない。   As another initialization, there is a report that an experiment was performed in a strong magnetic field using a sample in which a quantum dot structure was doped with electrons without using an electrode (see Non-Patent Document 4). In this method, initialization of 90% or more is realized, but it is very difficult to control the electron density to be initialized, and initialization cannot be realized without an external strong magnetic field.

強磁場があると、電子状態は、スピンの向きによって異なるエネルギーとなることが知られている。これをゼーマン分離と呼ぶ。この状態で、量子コンピュータに必要な回転操作を行うと、エネルギーの低い状態に緩和する過程が発生する(図18参照)。この緩和は、ランダム過程であるため、量子ビットが意図した動きから外れる可能性がある。   It is known that when there is a strong magnetic field, the electronic state has different energy depending on the direction of spin. This is called Zeeman separation. In this state, when a rotation operation necessary for the quantum computer is performed, a process of relaxing to a low energy state occurs (see FIG. 18). Since this relaxation is a random process, the qubit may deviate from the intended movement.

このゼーマン分離に加えて、外部磁場は、半導体を構成する原子の核スピンが0でないものを分極させる効果がある。これは、磁場として作用して電子スピン状態を変化させてしまう効果で、オーバーハウザー効果(Overhauser effect)と呼ばれている(非特許文献5参照)。オーバーハウザー効果は、スピン状態を変化させ、かつ、その効果を制御することが非常に困難なため、意図しない量子ビットの動きにつながり、量子コンピュータの性能を低下させてしまう。   In addition to this Zeeman separation, the external magnetic field has the effect of polarizing those whose atomic nuclear spin is not zero. This is an effect of changing the electron spin state by acting as a magnetic field, and is called an Overhauser effect (see Non-Patent Document 5). The Overhauser effect changes the spin state and it is very difficult to control the effect, leading to unintended movement of the qubit and degrading the performance of the quantum computer.

また、非特許文献1の技術で使われる電極は、試料の構成を複雑にするという欠点がある。また非特許文献2の技術で使われるドーピング法では、試料によって電子濃度が決まってしまい、試料を作製した後にその濃度を制御することが不可能である。   Further, the electrode used in the technique of Non-Patent Document 1 has a drawback that the configuration of the sample is complicated. Further, in the doping method used in the technique of Non-Patent Document 2, the electron concentration is determined depending on the sample, and it is impossible to control the concentration after the sample is manufactured.

小出昭一郎 著、「量子力学」(改訂版)、裳華房、1990。Shoichiro Koide, “Quantum Mechanics” (revised version), Hanafusa, 1990. ゲナディ・P・ベルマン 他、松田和典 訳、「入門量子コンピュータ」、パーソナルメディア、2002。Genadi P. Bellman et al., Translated by Kazunori Matsuda, “Introductory Quantum Computer”, Personal Media, 2002. M. Atature, et al. , "Quantum-Dot Spin-State Preparation with Near-Unity Fidelity", SCIENCE, vol.312, pp.551-553, 2006.M. Atature, et al., "Quantum-Dot Spin-State Preparation with Near-Unity Fidelity", SCIENCE, vol.312, pp.551-553, 2006. D.Press1, et al. ,"Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses", Nature, Vol.456, pp.218-221, 2008.D. Press1, et al., "Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses", Nature, Vol. 456, pp. 218-221, 2008. S. W. Brown, et al. ,"Spectrally resolved オーバーハウザー shifts in single GaAs/AlxGa12xAs quantum dots",PHYSICAL REVIEW B, vol.54, no.24, pp.R17 339-R17 342, 1996.S. W. Brown, et al., "Spectrally resolved overhauser shifts in single GaAs / AlxGa12xAs quantum dots", PHYSICAL REVIEW B, vol.54, no.24, pp.R17 339-R17 342, 1996.

以上に説明したように、上述した技術では、簡単な構成で、電子や正孔のスピンの向きを制御することが容易ではないという問題があった。   As described above, the above-described technique has a problem that it is not easy to control the direction of spin of electrons and holes with a simple configuration.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、簡単な構成で、電子や正孔のスピンの向きを制御できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to control the spin directions of electrons and holes with a simple configuration.

本発明に係る半導体電子スピン操作方法は、半導体より構成されたキャリアを閉じ込める閉じ込め部、およびこの閉じ込め部よりエネルギーギャップの大きい材料から構成された障壁部から構成された閉じ込め構造に、障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射して閉じ込め部に電子を生成する第1ステップと、閉じ込め構造に、半導体のエネルギーギャップより大きく障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射して閉じ込め部に励起子を生成する第2ステップとを少なくとも備え、第2光の照射により生成した励起子により生成してスピン緩和した荷電励起子の一部が円偏光を放出して遷移した電子がスピン緩和する緩和時間は、第2光の照射によって荷電励起子が生成する時間より長く、第2ステップでは、励起子の生成により生成した荷電励起子の一部が円偏光を放出して電子に遷移するまで第2光の照射を継続して電子がいずれかのスピンの向きに揃った状態に初期化する。 In the semiconductor electron spin manipulation method according to the present invention, a barrier section is formed in a confinement structure configured from a confinement section configured to confine carriers composed of a semiconductor and a barrier section composed of a material having a larger energy gap than the confinement section. A first step of generating electrons in the confinement portion by irradiating the first light with energy larger than the energy gap of the material to be encapsulated, and energy in the confinement structure that is larger than the energy gap of the semiconductor and smaller than the energy gap of the material constituting the barrier portion And at least a second step of irradiating a circularly polarized second light selected from clockwise and counterclockwise to generate an exciton in the confinement part, and using an exciton generated by the irradiation of the second light. A part of the generated charge-excited spin-relaxed electrons emits circularly polarized light, and the transition electrons are spin. The relaxation time to be summed is longer than the time for generating the charged excitons by irradiation with the second light. In the second step, a part of the charged excitons generated by generating the excitons emit circularly polarized light and transition to electrons. electronic continuously irradiated with the second light until it you initialized state aligned in the direction of one of the spin.

上記半導体電子スピン操作方法において、閉じ込め構造は、量子ドット構造、量子井戸構造,量子細線構造の中より選択されたものであればよい。また、第2光の波長は、閉じ込め部に生成される荷電励起子のエネルギーに対応する波長に共鳴するものであるとよい。また、半導体および障壁部を構成する材料は、これらを構成する原子が核スピンを持たないものであるとよい。   In the semiconductor electron spin manipulation method, the confinement structure may be any one selected from a quantum dot structure, a quantum well structure, and a quantum wire structure. In addition, the wavelength of the second light may resonate with the wavelength corresponding to the energy of the charged excitons generated in the confinement part. Moreover, the material which comprises a semiconductor and a barrier part is good in the atom which comprises these not having a nuclear spin.

本発明に係る半導体電子スピン操作装置は、半導体より構成されたキャリアを閉じ込める閉じ込め部、およびこの閉じ込め部よりエネルギーギャップの大きい材料から構成された障壁部から構成された閉じ込め構造と、この閉じ込め構造に、障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射して閉じ込め部に電子を生成する第1光照射手段と、閉じ込め構造に、半導体のエネルギーギャップより大きく障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射して閉じ込め部に励起子を生成する第2光照射手段とを少なくとも備え、第2光の照射により生成した励起子により生成してスピン緩和した荷電励起子の一部が円偏光を放出して遷移した電子がスピン緩和する緩和時間は、第2光の照射によって荷電励起子が生成する時間より長く、第2光照射手段は、励起子の生成により生成した荷電励起子の一部が円偏光を放出して電子に遷移するまで第2光の照射を継続することで電子がいずれかのスピンの向きに揃った状態に初期化する。 A semiconductor electron spin manipulating apparatus according to the present invention includes a confinement portion for confining carriers composed of a semiconductor, a confinement structure composed of a barrier portion composed of a material having a larger energy gap than the confinement portion, and the confinement structure. The first light irradiating means for generating electrons in the confinement portion by irradiating the first light having an energy larger than the energy gap of the material constituting the barrier portion, and the barrier portion is formed in the confinement structure larger than the energy gap of the semiconductor. in smaller energy than the energy gap of the material, at least a second light irradiating means for generating an exciton confinement portion by irradiating a second circularly polarized light that is selected from among the right-handed and left-handed, the second Some of the spin-relaxed charged excitons generated by excitons generated by light irradiation emit circularly polarized light The relaxation time for spin relaxation of the transitioned electrons is longer than the time for generating charged excitons by irradiation with the second light, and in the second light irradiation means, a part of the charged excitons generated by the generation of excitons is circular. by emitting polarized light that initializes a state where electrons by continuing the irradiation of the second light are aligned in the direction of one of the spin until the transition to the electronic.

上記半導体電子スピン操作装置において、閉じ込め構造は、量子ドット構造、量子井戸構造,量子細線構造の中より選択されたものであればよい。また、第2光の波長は、閉じ込め部に生成される荷電励起子のエネルギーに対応する波長に共鳴するものであるとよい。また、第1光照射手段および第2光照射手段は、レーザより構成されていればよい。また、半導体および障壁部を構成する材料は、これらを構成する原子が核スピンを持たないものであるとよい。   In the semiconductor electron spin manipulation device, the confinement structure may be any one selected from a quantum dot structure, a quantum well structure, and a quantum wire structure. In addition, the wavelength of the second light may resonate with the wavelength corresponding to the energy of the charged excitons generated in the confinement part. Moreover, the 1st light irradiation means and the 2nd light irradiation means should just be comprised from the laser. Moreover, the material which comprises a semiconductor and a barrier part is good in the atom which comprises these not having a nuclear spin.

以上説明したように、本発明によれば、閉じ込め構造に、障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射し、また、閉じ込め部を構成する半導体のエネルギーギャップより大きく障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射するようにしたので、簡単な構成で、電子や正孔のスピンの向きを制御できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the confinement structure is irradiated with the first light having an energy larger than the energy gap of the material constituting the barrier portion, and the barrier is larger than the energy gap of the semiconductor constituting the confinement portion. Since the circularly polarized second light selected from the clockwise and counterclockwise directions is irradiated with an energy smaller than the energy gap of the material constituting the part, the spin of electrons and holes can be reduced with a simple configuration. An excellent effect that the direction can be controlled is obtained.

図1は、本発明の実施の形態における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a semiconductor electron spin manipulation device according to an embodiment of the present invention. 図2は、AlGaAsからなる障壁層201と、GaAsからなる井戸層202とAlGaAsからなる障壁層203が積層された量子井戸構造のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。FIG. 2 is a band diagram showing an energy band structure of a quantum well structure in which a barrier layer 201 made of AlGaAs, a well layer 202 made of GaAs, and a barrier layer 203 made of AlGaAs are stacked. 図3は、井戸層に閉じ込められた電子と正孔の、井戸層に入射する光に対する応答特性を示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing response characteristics of electrons and holes confined in the well layer to light incident on the well layer. 図4は、励起子の生成を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining generation of excitons. 図5は、荷電励起子の生成を説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining generation of charged excitons. 図6は、電子および荷電励起子のエネルギーを用いた荷電励起子の生成を説明するための説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining generation of charged excitons using energy of electrons and charged excitons. 図7は、電子スピンの初期化を説明するための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining initialization of electron spin. 図8は、スピンの初期化のプロセスを説明する説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the spin initialization process. 図9は、本発明の実施の形態における半導体電子スピン操作方法を説明するための説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining a semiconductor electron spin manipulation method according to the embodiment of the present invention. 図10は、励起子および荷電励起子の生成を説明するための説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining generation of excitons and charged excitons. 図11Aは、量子ドット構造より得られたフォトルミネッセンスの強度変化を示す特性図である。FIG. 11A is a characteristic diagram showing a change in the intensity of photoluminescence obtained from the quantum dot structure. 図11Bは、量子ドット構造より得られたフォトルミネッセンスの強度変化を示す特性図である。FIG. 11B is a characteristic diagram showing a change in the intensity of photoluminescence obtained from the quantum dot structure. 図12は、原子核のスピンの状態を説明するための説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining a spin state of an atomic nucleus. 図13は、本発明の実施例1における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。FIG. 13 is a configuration diagram showing the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the first embodiment of the present invention. 図14は、照射する光の波長について説明するための説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the wavelength of light to be irradiated. 図15は、本発明の実施例1における他の半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram showing a configuration of another semiconductor electron spin manipulation device according to the first embodiment of the present invention. 図16は、本発明の実施例2における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。FIG. 16 is a configuration diagram showing the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the second embodiment of the present invention. 図17は、本発明の実施例3における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。FIG. 17 is a configuration diagram showing the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the third embodiment of the present invention. 図18は、ゼーマン分離によるエネルギーの低い状態に緩和する過程を説明するための説明図である。FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining a process of relaxing to a low energy state by Zeeman separation.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。この半導体電子スピン操作装置は、まず、半導体より構成されたキャリアを閉じ込める閉じ込め部101、および閉じ込め部101よりエネルギーギャップの大きい材料から構成された障壁部102から構成された閉じ込め構造103を備える。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a semiconductor electron spin manipulation device according to an embodiment of the present invention. This semiconductor electron spin manipulation device includes a confinement structure 103 composed of a confinement part 101 for confining carriers composed of a semiconductor and a barrier part 102 composed of a material having a larger energy gap than the confinement part 101.

また、半導体電子スピン操作装置は、障壁部102を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの光を、閉じ込め構造103に照射する第1光照射部104と、閉じ込め部101を構成する半導体のエネルギーギャップより大きく、障壁部102を構成する材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の光を、閉じ込め構造103に照射する第2光照射部105とを少なくとも備える。   In addition, the semiconductor electron spin manipulation device includes a first light irradiation unit 104 that irradiates the confinement structure 103 with light having energy larger than the energy gap of the material that forms the barrier unit 102, and the energy gap of the semiconductor that forms the confinement unit 101. A second light irradiating unit 105 that irradiates the confinement structure 103 with circularly polarized light selected from among clockwise and counterclockwise with an energy that is larger and smaller than the energy gap of the material constituting the barrier unit 102 Prepare.

閉じ込め構造103は、例えば、閉じ込め部101としての量子ドットおよび障壁部102としての障壁層から構成された量子ドット構造であればよい。また、閉じ込め構造103は、例えば、閉じ込め部101としての量子井戸および障壁部102としての障壁層から構成された量子井戸構造であればよい。閉じ込め構造103は、例えば、閉じ込め部101としての量子細線、および障壁部102としての障壁層から構成された量子細線構造であってもよい。例えば、閉じ込め構造103は、GaAsからなる量子ドットとAlGaAsからなる障壁層とからなる量子ドット構造や、GaAsからなる量子井戸とAlGaAsからなる障壁層とからなる量子井戸構造であればよい。なお、よく知られているように、閉じ込め部は、量子閉じ込め効果が発現する範囲の寸法に形成されていればよい。   The confinement structure 103 may be, for example, a quantum dot structure including a quantum dot as the confinement part 101 and a barrier layer as the barrier part 102. In addition, the confinement structure 103 may be a quantum well structure including a quantum well as the confinement part 101 and a barrier layer as the barrier part 102, for example. The confinement structure 103 may be, for example, a quantum wire structure constituted by a quantum wire as the confinement portion 101 and a barrier layer as the barrier portion 102. For example, the confinement structure 103 may be a quantum dot structure composed of a quantum dot composed of GaAs and a barrier layer composed of AlGaAs, or a quantum well structure composed of a quantum well composed of GaAs and a barrier layer composed of AlGaAs. As is well known, the confinement part only needs to be formed in a size within a range in which the quantum confinement effect appears.

上述した本実施の形態における半導体電子スピン操作装置では、まず、第1光照射部104により、閉じ込め部101および障壁部102から構成された閉じ込め構造103に、障壁部102を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射し、次に、第2光照射部105により、閉じ込め構造103に、閉じ込め部101を構成する半導体のエネルギーギャップより大きく、障壁部102の材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射することで、キャリアのスピンの向きを制御する。第1光の照射により、閉じ込め構造103の閉じ込め部101に電子が生成され、生成された電子や正孔などのキャリアのスピンの向きが、第2光照射部105による第2光の照射により制御できる。   In the semiconductor electron spin manipulation device according to the present embodiment described above, first, the energy gap of the material constituting the barrier portion 102 is formed in the confinement structure 103 constituted by the confinement portion 101 and the barrier portion 102 by the first light irradiation unit 104. The first light with larger energy is irradiated, and then the second light irradiation unit 105 causes the confinement structure 103 to be larger than the energy gap of the semiconductor constituting the confinement unit 101 and smaller than the energy gap of the material of the barrier unit 102. By irradiating the circularly polarized second light selected from among clockwise and counterclockwise with energy, the spin direction of the carrier is controlled. Electrons are generated in the confinement part 101 of the confinement structure 103 by the irradiation of the first light, and the spin directions of carriers such as the generated electrons and holes are controlled by the second light irradiation by the second light irradiation part 105. it can.

以下、本実施の形態における半導体電子スピン操作について、より詳細に説明する。以下では、井戸層をGaAsから構成し、障壁層をAlGaAsから構成した量子井戸構造を例に説明する。図2は、AlGaAsからなる障壁層201と、GaAsからなる井戸層202とAlGaAsからなる障壁層203が積層された量子井戸構造のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。   Hereinafter, the semiconductor electron spin operation in the present embodiment will be described in more detail. Hereinafter, a quantum well structure in which the well layer is made of GaAs and the barrier layer is made of AlGaAs will be described as an example. FIG. 2 is a band diagram showing an energy band structure of a quantum well structure in which a barrier layer 201 made of AlGaAs, a well layer 202 made of GaAs, and a barrier layer 203 made of AlGaAs are stacked.

障壁層201を構成するAlGaAsのエネルギーギャップより大きなエネルギーの光を照射すると、電子および正孔が生成されるが、AlGaAsよりGaAsの方がバンドギャップが小さいため、図2に示すように、電子は井戸層202の伝導帯に閉じ込められ、電子の抜け穴である正孔は、井戸層202の価電子帯に閉じ込められる。   When light with energy larger than the energy gap of AlGaAs constituting the barrier layer 201 is irradiated, electrons and holes are generated. However, since GaAs has a smaller band gap than AlGaAs, as shown in FIG. Holes that are confined in the conduction band of the well layer 202 and are hole holes for electrons are confined in the valence band of the well layer 202.

また、図3は、井戸層に閉じ込められた電子と正孔の、井戸層に入射する光に対する応答特性を示した説明図である。半導体(GaAs)のバンド構造の特性から、井戸層に入射する円偏光の光の偏光方向によって、上向きと下向きのスピンを生成することが可能である。ここで、円偏光は、GaAsのエネルギーギャップより大きく、AlGaAsのエネルギーギャップより小さなエネルギーに対応する波長の光である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing response characteristics of electrons and holes confined in the well layer to light incident on the well layer. Due to the band structure characteristics of the semiconductor (GaAs), it is possible to generate upward and downward spins depending on the polarization direction of the circularly polarized light incident on the well layer. Here, circularly polarized light is light having a wavelength corresponding to energy larger than the energy gap of GaAs and smaller than the energy gap of AlGaAs.

例えば、図3(a)に示すように、価電子帯に上向きスピンの電子301がある状態で、右回り円偏光の光311を井戸層に照射すると、この光が吸収され、図3(b)に示すように、伝導帯に上向きスピンの電子302が生成され、価電子帯に下向きスピンの正孔303が生成される。   For example, as shown in FIG. 3A, when the well layer is irradiated with right-hand circularly polarized light 311 in the state where the upward spin electrons 301 exist in the valence band, this light is absorbed, and FIG. ), An upward spin electron 302 is generated in the conduction band, and a downward spin hole 303 is generated in the valence band.

一方、図3(c)に示すように、価電子帯に下向きスピンの電子304がある状態で、左回りの円偏光の光312を井戸層に照射すると、この光が吸収され、図3(d)に示すように、伝導帯に下向きスピンの電子305が生成され、価電子帯に上向きスピンの正孔306が生成される。   On the other hand, as shown in FIG. 3 (c), when the well layer is irradiated with counterclockwise circularly polarized light 312 in the state where the downward spin electrons 304 exist in the valence band, this light is absorbed, and FIG. As shown in d), downward spin electrons 305 are generated in the conduction band, and upward spin holes 306 are generated in the valence band.

これらのように、価電子帯の下向きスピンの電子は、右回り円偏光には応答せず、左回り円偏光を照射した場合のみ伝導帯に移動する。   As described above, the downward spin electrons in the valence band do not respond to the clockwise circularly polarized light, and move to the conduction band only when the counterclockwise circularly polarized light is irradiated.

以上のように円偏光の光の入射により、井戸層の伝導帯に電子が生成し、また、価電子帯に正孔が生成されると、これらは各々マイナスとプラスの電荷を持つため、両者の間に引力が発生する。図4に示すように、井戸層202に生成した電子211および正孔212の間には引力401が発生し、発生した引力401により電子211および正孔212が束縛されて励起子402と呼ばれる粒子を形成するようになる。   As described above, when circularly polarized light is incident, electrons are generated in the conduction band of the well layer, and holes are generated in the valence band. Attraction occurs during the period. As shown in FIG. 4, an attractive force 401 is generated between the electrons 211 and the holes 212 generated in the well layer 202, and the electrons 211 and the holes 212 are constrained by the generated attractive force 401 and are called excitons 402. Will come to form.

励起子402は、電子211および正孔212から構成されており、上述した束縛の結果、再結合して光を放出する。また、この再結合の際に放出される光(円偏光)の偏光方向は、図3に示したように、電子および正孔のスピンによって決定される。まず、上向きスピンの電子と下向きスピンの正孔とによって形成された励起子は、再結合により右回りの円偏光の光を放出する。一方、下向きスピンの電子と上向きスピンの正孔によって形成された励起子は、再結合により左回りの円偏光の光を放出する。   The exciton 402 includes electrons 211 and holes 212, and recombines and emits light as a result of the above-described binding. Further, the polarization direction of the light (circularly polarized light) emitted during this recombination is determined by the spin of electrons and holes as shown in FIG. First, excitons formed by upward spin electrons and downward spin holes emit clockwise circularly polarized light by recombination. On the other hand, excitons formed by downward spin electrons and upward spin holes emit counterclockwise circularly polarized light by recombination.

次に、荷電励起子について述べる。例えば、図5の(a)に示すように、井戸層202の伝導帯に上向きスピンの電子501が閉じ込められている状態の量子井戸構造に、左回り円偏光の光511を照射すると、光が吸収されて価電子帯の下向きスピンの電子502が伝導帯に遷移し、図5の(b)に示すように、伝導帯に下向きスピンの電子503が生成され、価電子帯には上向きスピンの正孔504が生成される。   Next, charged excitons will be described. For example, as shown in FIG. 5A, when a quantum well structure in which electrons 501 of upward spin are confined in the conduction band of the well layer 202 is irradiated with light 511 that is counterclockwise circularly polarized, As shown in FIG. 5B, the downward spin electrons 502 are generated in the conduction band, and the downward spin electrons 503 are generated in the valence band. Holes 504 are generated.

これに対し、右回り円偏光の光を照射しても、伝導帯にすでに上向きスピンの電子501が存在するため、価電子帯の上向きスピンの電子を伝導帯に遷移させるような光の吸収はなく、何も起こらない。これは、同じエネルギー状態に同じスピンの電子が存在することができないという量子力学の基本的な要請による。図5の(b)では、2個の電子と1個の正孔が存在している状態を示しているが、これらは励起子と同様にお互いに束縛し、荷電励起子を形成する。図5の(b)に示す例では、2つの電子と1つの正孔とが束縛されたマイナスに帯電した荷電励起子の状態を示している。   On the other hand, even when irradiated with clockwise circularly polarized light, since the upward spin electrons 501 already exist in the conduction band, the absorption of light that causes the upward spin electrons of the valence band to transition to the conduction band is not absorbed. Nothing happens. This is due to the fundamental requirement of quantum mechanics that electrons of the same spin cannot exist in the same energy state. FIG. 5B shows a state in which two electrons and one hole exist, but these are bound to each other in the same manner as excitons to form charged excitons. The example shown in FIG. 5B shows a state of negatively charged excitons in which two electrons and one hole are bound.

上述では、量子井戸構造(井戸層202)のバンドを基準にして記述しているが、図6に示すように、電子および荷電励起子のエネルギーを用いて記述することもできる。図6の(a)および(b)の下側(基底状態)に示す2つの状態601および状態602が、伝導帯にあらかじめ電子が存在している状態に相当する。また、図6の(a)および(b)の上側(励起状態)には、正孔のスピン方向が各々異なる2つの荷電励起子603および荷電励起子604を示している。   In the above description, the band of the quantum well structure (well layer 202) is described as a reference. However, as shown in FIG. 6, it can also be described using the energy of electrons and charged excitons. Two states 601 and 602 shown in the lower side (ground state) of FIGS. 6A and 6B correspond to states in which electrons exist in advance in the conduction band. Further, two charged excitons 603 and 604 having different hole spin directions are shown on the upper side (excited state) of FIGS. 6A and 6B.

図6を用いることで、図5を用いた上記説明と同様に、円偏光の偏光方向を用いて生成される荷電励起子の状態の制御が説明できる。図6を用いた説明では、例えば、図6の(a)に示すように、右回り円偏光の光611を照射すると、正孔のスピンが下向きの荷電励起子603が生成される。荷電励起子603が1つの電子に戻る場合は、光(円偏光)が放出されるが、この偏光の向きも右回りである。また、図6の(b)に示すように、左回りの円偏光の光612を照射すると、正孔のスピンが上向きの荷電励起子604が生成される。荷電励起子604が電子に戻る場合も、光が放出されるが、この偏光の向きは左回りである。   By using FIG. 6, the control of the state of charged excitons generated using the polarization direction of circularly polarized light can be described in the same manner as the above description using FIG. 5. In the description using FIG. 6, for example, as shown in FIG. 6A, when the clockwise circularly polarized light 611 is irradiated, the charged excitons 603 in which the spin of holes is directed downward are generated. When the charged exciton 603 returns to one electron, light (circularly polarized light) is emitted, but the direction of this polarized light is also clockwise. Further, as shown in FIG. 6B, when the counterclockwise circularly polarized light 612 is irradiated, charged excitons 604 in which the spin of holes is upward are generated. Light is also emitted when the charged exciton 604 returns to electrons, but the direction of this polarization is counterclockwise.

次に、スピンの初期化について説明する。上述した荷電励起子を用いることで、以下に示すようにスピンの初期化が可能となる。まず、図7はスピンの初期化そのものを説明した説明図である。通常、電子のスピンの向きは決まっておらず、図7の(a)に示すように、スピンが上向きの場合とスピンが下向きの場合の確率は、両方とも0.5である。これを、いずれかの向きの確率が1とされているのが初期化された状態であり、なんらかの手法を用いてこのような偏った状態を形成するのがスピン初期化である。図7の(b)に示す例では、上向きスピンに初期化されている。   Next, spin initialization will be described. By using the above-described charged excitons, the spin can be initialized as shown below. First, FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the spin initialization itself. Usually, the direction of the spin of electrons is not determined, and as shown in FIG. 7A, the probabilities when the spin is upward and when the spin is downward are both 0.5. This is an initialized state in which the probability of any direction is set to 1, and the spin initialization is to form such a biased state using some method. In the example shown in FIG. 7B, it is initialized to upward spin.

図8は、スピンの初期化のプロセスを説明する説明図である。まず、図8(b)に示すように、上向きスピンの電子804が存在している状態に、左回り円偏光の励起光(第2光)813を入射させると、上向きスピンの電子804が応答し、正孔のスピンが上向きの荷電励起子803が生成される。この状態で、一部の荷電励起子803は、左回り偏光の円偏光812を放出(発光)して電子804に戻る。また、他の一部の荷電励起子803は、緩和時間τHighのスピン緩和Hを経て、荷電励起子801に遷移する。なお、左回り偏光の円偏光812の放出により戻った電子804は、励起光813の照射によりこれを吸収し、荷電励起子803の状態に遷移する。 FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the spin initialization process. First, as shown in FIG. 8B, when the counter-spinning circularly polarized excitation light (second light) 813 is incident in the state where the upward spin electron 804 exists, the upward spin electron 804 responds. As a result, charged excitons 803 with positive spin of holes are generated. In this state, some of the charged excitons 803 emit (emits) counterclockwise circularly polarized light 812 and return to the electrons 804. The other part of the charged excitons 803 transition to the charged excitons 801 through the spin relaxation H of the relaxation time τ High . Note that the electrons 804 returned by the emission of the left-handed circularly polarized light 812 are absorbed by the excitation light 813 and transition to the charged exciton 803 state.

励起光813の照射により荷電励起子803に遷移し、スピン緩和Hによって生成された荷電励起子801は、この一部が右回りの偏光の円偏光811を放出(発光)し、下向きスピンの電子802に遷移する。ここで、スピン緩和Lの緩和時間τLowが十分に遅ければ、下向きスピンの電子802の状態が保持される。荷電励起子801は、スピン緩和Hによって荷電励起子803に戻る可能性があり、この先に、円偏光812を放出して電子804に戻る可能性がある。しかし、励起光813が入射されていれば、存在する電子804は直ちに荷電励起子803に遷移し、スピン緩和Hを経て一部が電子802になる。 The charged exciton 801, which is transitioned to the charged exciton 803 by irradiation of the excitation light 813 and is generated by the spin relaxation H, emits (emits) a circularly polarized light 811 with a part of the clockwise polarization, and emits downward spin electrons. Transition to 802. Here, if the relaxation time τ Low of the spin relaxation L is sufficiently slow, the state of the downward spin electrons 802 is maintained. The charged excitons 801 may return to the charged excitons 803 due to the spin relaxation H, and there is a possibility that the circularly polarized light 812 is emitted to return to the electrons 804. However, if the excitation light 813 is incident, the existing electron 804 immediately transitions to the charged exciton 803, and a part of the electron 802 becomes the electron 802 through the spin relaxation H.

従って、スピン緩和Lの緩和時間τLowが、入射する円偏光813によって荷電励起子803が生成される時間より十分に長ければ、電子802の状態が徐々に増加し、電子802の状態(電子が下向きのスピン)に揃ったスピン初期化が実現できる。なお、以上では、入射する円偏光の向きは、左回りとして説明したが、右回りでも同様である。右回り円偏光の光を入射させると、正孔が上向きのスピンの荷電励起子が生成され、これがスピン緩和Hを経て、上向きのスピンの電子が生成されるようになり、初期化された電子のスピンは上向きになる。 Therefore, if the relaxation time τ Low of the spin relaxation L is sufficiently longer than the time during which the charged excitons 803 are generated by the incident circularly polarized light 813, the state of the electrons 802 gradually increases and the state of the electrons 802 (electrons are reduced). Spin initialization aligned with downward spin) can be realized. In the above description, the direction of the incident circularly polarized light is described as being counterclockwise, but the same applies to the clockwise direction. When clockwise circular polarized light is incident, charged excitons of spins with upward holes are generated, and spin electrons are generated through spin relaxation H, which are initialized electrons. Spins up.

ここで、上述したスピン初期化を理想的にするためには、励起光のエネルギーを荷電励起子のエネルギーと共鳴するようにすることが望ましい。共鳴しない場合でも初期化は可能であるが、共鳴する場合よりは特性は低下する。   Here, in order to make the above-described spin initialization ideal, it is desirable to make the energy of the excitation light resonate with the energy of the charged exciton. Initialization is possible even when there is no resonance, but the characteristics are lower than when resonance occurs.

次に、荷電励起子を生成するもととなる電子の生成について説明する。   Next, generation of electrons that are the basis for generating charged excitons will be described.

まず、電子は、閉じ込め構造を構成している障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの光を照射することで生成する。例えば、AlGaAsからなる障壁層とGaAsからなる量子井戸層とで構成した量子井戸層の場合、波長532nmのレーザ光を照射すればよい。   First, electrons are generated by irradiating light having an energy larger than the energy gap of the material constituting the barrier portion constituting the confinement structure. For example, in the case of a quantum well layer composed of a barrier layer made of AlGaAs and a quantum well layer made of GaAs, laser light having a wavelength of 532 nm may be irradiated.

例えば、図9の(a)に示すように、AlGaAsからなる障壁層901および障壁層903に、GaAsからなる量子井戸層902が挟まれた量子井戸構造では、量子井戸層902が表面(障壁層903の表面)の近くに存在すると、表面状態の影響を受けることによりバンドに電界が存在し、バンドが傾斜する。この状態で、波長532nmのレーザ光(グリーンレーザ)911を量子井戸構造に照射すると、障壁層903,障壁層901,および量子井戸層902に電子および正孔が生成され、傾いたバンドの影響により、図9の(b)に示すように、各々逆向きにドリフトする。   For example, as shown in FIG. 9A, in a quantum well structure in which a quantum well layer 902 made of GaAs is sandwiched between a barrier layer 901 made of AlGaAs and a barrier layer 903, the quantum well layer 902 has a surface (barrier layer). If it exists near the surface of 903, an electric field exists in the band due to the influence of the surface state, and the band is inclined. In this state, when a quantum well structure is irradiated with a laser beam (green laser) 911 having a wavelength of 532 nm, electrons and holes are generated in the barrier layer 903, the barrier layer 901, and the quantum well layer 902, and are affected by the tilted band. As shown in FIG. 9B, each drifts in the opposite direction.

上述したようにグリーンレーザ911の照射により発生した電子および正孔の一部は、図9の(b)に示すように、量子井戸層902に束縛される可能性がある。図9の(b)において、点線で囲われた電子904および正孔905が、量子井戸層902に束縛されている。このように束縛された電子904および正孔905は、バンドが傾斜しているため、各々逆向きにトンネリングする確率が生じる。例えば、図9の(c)に示すように、量子井戸層902に束縛されていた1つの正孔906が、障壁層903へトンネリングする。このトンネリングの確率は、障壁層903(障壁層901)のポテンシャル障壁高さと厚さに強く依存し、障壁が低く、厚さが薄いほど確率が大きくなる。   As described above, some of the electrons and holes generated by the irradiation of the green laser 911 may be bound to the quantum well layer 902 as shown in FIG. In FIG. 9B, electrons 904 and holes 905 surrounded by a dotted line are bound to the quantum well layer 902. Since the electrons 904 and the holes 905 bound in this way are inclined in band, there is a probability of tunneling in opposite directions. For example, as shown in FIG. 9C, one hole 906 bound to the quantum well layer 902 tunnels to the barrier layer 903. The probability of this tunneling depends strongly on the potential barrier height and thickness of the barrier layer 903 (barrier layer 901), and the probability increases as the barrier becomes lower and the thickness becomes thinner.

図9の(b)に示すように、伝導帯のバンドオフセット(ΔEc)と価電子帯のバンドオフセット(ΔEv)とは、異なることが知られており、GaAs/AlGaAsからなる量子井戸構造では、ΔEc:ΔEvは、7:3である。このため、電子より正孔の方がトンネリングする確率が大きくなり、GaAsからなる量子井戸層902には、電子のみが残る確率が大きくなる。 As shown in FIG. 9B, it is known that the band offset (ΔE c ) of the conduction band and the band offset (ΔE v ) of the valence band are different, and a quantum well structure made of GaAs / AlGaAs. Then, ΔE c : ΔE v is 7: 3. For this reason, the probability that holes are tunneled more than electrons is increased, and the probability that only electrons remain in the quantum well layer 902 made of GaAs is increased.

ここで、グリーンレーザ911の照射により最初に生成される電子および正孔濃度は、照射されるグリーンレーザ911の強度に依存し、この強度を調整すれば、量子井戸層902に電子のみ残るようにすることも可能である。この量子井戸層902に電子のみが残るようにした状態で、図9の(d)に示すように、波長720nmのレーザ光(レッドレーザ)912を量子井戸構造に照射すると、この波長では、量子井戸層902内にのみ電子および正孔が生成される。レッドレーザ912は、量子井戸層902を構成するGaAsのエネルギーギャップより大きく、障壁層901(障壁層903)を構成するAlGaAsのエネルギーギャップより小さなエネルギーの光である。この結果、図9の(e)に示すように、電子および正孔による励起子907が形成されるようになる。   Here, the electron and hole concentrations initially generated by the irradiation of the green laser 911 depend on the intensity of the irradiated green laser 911, and if this intensity is adjusted, only the electrons remain in the quantum well layer 902. It is also possible to do. When only the electrons remain in the quantum well layer 902 and a quantum well structure is irradiated with a laser beam (red laser) 912 having a wavelength of 720 nm as shown in FIG. Electrons and holes are generated only in the well layer 902. The red laser 912 is light having energy larger than the energy gap of GaAs constituting the quantum well layer 902 and smaller than the energy gap of AlGaAs constituting the barrier layer 901 (barrier layer 903). As a result, as shown in FIG. 9E, excitons 907 due to electrons and holes are formed.

レッドレーザ912の照射により量子井戸層902内に生成された電子および正孔は、グリーンレーザ911の照射により生成した電子および正孔と同様に、トンネリングする可能性がある。しかし、レッドレーザ912の照射では、生成された直後のエネルギーが小さいため、電子および正孔は量子井戸層902内に強く閉じ込められ、電子および正孔ともにトンネリングする確率そのものが著しく低く、励起子907として存在するようになる。   The electrons and holes generated in the quantum well layer 902 by the irradiation with the red laser 912 may tunnel like the electrons and holes generated by the irradiation with the green laser 911. However, in the irradiation with the red laser 912, since the energy immediately after the generation is small, the electrons and holes are strongly confined in the quantum well layer 902, and the probability that both electrons and holes are tunneled is extremely low. Will come to exist.

ここで、量子井戸層902内には、グリーンレーザ911の照射によって生成された電子も存在するので、上述したようにレッドレーザ912の照射により生成された励起子907と束縛状態を形成し、荷電励起子908が生成される。荷電励起子908が生成されると、図8を用いて説明したように初期化が実行可能である。例えば、円偏光としたレッドレーザ912の偏光を、左回りとすると、下向きスピンの電子を増加させることが可能になる。   Here, since electrons generated by the irradiation of the green laser 911 are also present in the quantum well layer 902, a bound state is formed with the excitons 907 generated by the irradiation of the red laser 912 as described above, and the charge is charged. An exciton 908 is generated. When charged excitons 908 are generated, initialization can be performed as described with reference to FIG. For example, if the polarization of the red laser 912, which is circularly polarized, is counterclockwise, it is possible to increase the number of downward spin electrons.

以上では、量子井戸構造を用いて説明したが、荷電励起子を生成するためには、電子が生成される場所と、励起子が生成される場所とを一致させることが重要となる。量子井戸構造の場合、電子や励起子の大きさが、照射する光(レーザ)のスポットサイズより著しく小さい。このため、図10の(a)に示すように、量子井戸構造1001にグリーンレーザ1002およびレッドレーザ1003を照射したとき、これらの照射が重なる領域1004に、電子と励起子とが存在するとは限らない。   In the above description, the quantum well structure is used. However, in order to generate charged excitons, it is important to match the location where electrons are generated with the location where excitons are generated. In the case of the quantum well structure, the size of electrons and excitons is significantly smaller than the spot size of the light (laser) to be irradiated. For this reason, as shown in FIG. 10A, when the quantum well structure 1001 is irradiated with the green laser 1002 and the red laser 1003, electrons and excitons are not always present in the region 1004 where these irradiations overlap. Absent.

一方、図10の(b)に示すように、量子ドット構造1011の場合、量子ドットにグリーンレーザ1012およびレッドレーザ1013を照射する。このため、これらの照射が重なる領域1014に、電子および励起子が生成されることになり、電子および励起子が生成される場所が一致し、効率的に荷電励起子が生成できる。   On the other hand, as shown in FIG. 10B, in the case of the quantum dot structure 1011, the quantum dots are irradiated with the green laser 1012 and the red laser 1013. For this reason, electrons and excitons are generated in the region 1014 where these irradiations overlap, and the locations where the electrons and excitons are generated coincide with each other, so that charged excitons can be generated efficiently.

図11Aおよび図11Bは、GaAs/AlGaAsの量子ドット構造に、波長532nmのグリーンレーザと、波長710nmの円偏光のレッドレーザを照射したときに、観測(測定)されたフォトルミネッセンス(PL)の強度(Intensity)を示す特性図である。量子ドットは、層厚2.8nm、平面視15nm角の矩形としている。図11Aは、レッドレーザを照射したときの結果を示し、図11Bは、レッドレーザおよびグリーンレーザを照射したときの結果を示している。測定されるフォトルミネッセンスは、励起子および荷電励起子から放出されるものである。また、実線が、右回りの円偏光のレッドレーザ照射の結果であり、点線が、左回りの円偏光のレッドレーザ照射の結果を示している。   FIG. 11A and FIG. 11B show the intensity of photoluminescence (PL) observed (measured) when a GaAs / AlGaAs quantum dot structure is irradiated with a green laser with a wavelength of 532 nm and a circularly polarized red laser with a wavelength of 710 nm. It is a characteristic view which shows (Intensity). The quantum dots are rectangular with a layer thickness of 2.8 nm and a 15 nm square in plan view. FIG. 11A shows a result when the red laser is irradiated, and FIG. 11B shows a result when the red laser and the green laser are irradiated. The measured photoluminescence is that emitted from excitons and charged excitons. Also, the solid line shows the result of clockwise circularly polarized red laser irradiation, and the dotted line shows the result of counterclockwise circularly polarized red laser irradiation.

図11Aに示すように、レッドレーザの照射では、励起子からのフォトルミネッセンスが見られる。これに対し、図11Bに示すように、グリーンレーザおよびレッドレーザを照射した場合は、荷電励起子からの発光(フォトルミネッセンス)が見られる。また、励起子のフォトルミネッセンスのエネルギーと荷電励起子のフォトルミネッセンスのエネルギーとの間に差が見られる。これは、荷電励起子は、励起子に電子が1個加わった状態であり、励起子より安定に存在することを反映している。   As shown in FIG. 11A, photoluminescence from excitons can be seen by irradiation with a red laser. On the other hand, as shown in FIG. 11B, when the green laser and the red laser are irradiated, light emission (photoluminescence) from the charged excitons is observed. There is also a difference between the photoluminescence energy of the excitons and the photoluminescence energy of the charged excitons. This reflects that the charged exciton is a state in which one electron is added to the exciton and exists more stably than the exciton.

また、図11Bに示すように、荷電励起子からの発光が見られる場合、右回りの円偏光のレッドレーザ照射と、左回りの円偏光のレッドレーザ照射とで、荷電励起子からの発光強度の差が大きい。この比は、おおよそ1:3程度であり、図8の説明を参照すると、荷電励起子801と荷電励起子803と発光強度の比が、1:3程度であることを意味する。   In addition, as shown in FIG. 11B, when light emission from the charged excitons is observed, the light emission intensity from the charged excitons is obtained by the clockwise circularly polarized red laser irradiation and the counterclockwise circularly polarized red laser irradiation. There is a big difference. This ratio is about 1: 3, and referring to the description of FIG. 8, it means that the ratio of the charge excitons 801 and 803 to the emission intensity is about 1: 3.

発光過程は、発光後の状態に移ることが可能なことが前提であるため、荷電励起子803が移る電子804と、荷電励起子801が移る電子802との比が、1:3であることが分かる。電子804と電子802の存在確率は、グリーンレーザを照射したのみでは、1:1である。これに対し、左回り円偏光のレッドレーザを照射したことにより、電子804と電子802との存在確率は1:3に変化し、スピン初期化が実現できたことが分かる。   Since the light emission process is based on the premise that it is possible to shift to a state after light emission, the ratio of the electrons 804 to which the charged excitons 803 move and the electrons 802 to which the charged excitons 801 move is 1: 3. I understand. The existence probability of the electrons 804 and 802 is 1: 1 when only the green laser is irradiated. On the other hand, the existence probability of the electrons 804 and 802 changes to 1: 3 by irradiating the counterclockwise circularly polarized red laser, and it can be seen that spin initialization can be realized.

ところで、半導体は、上記GaAsを始め、InP,Siなどがあり、各々の原子の原子核のスピンが0でないものがある。図12の(a)に示すように、原子核のスピン(核スピン1201)が0でないと、図12の(b)に示すように、初期化された電子スピン1202によって核スピン1201の方向が揃い、磁場1203が発生してしまう。この状態になると、図18を用いて説明したように、初期化されたスピンが緩和してしまう可能性がある。   By the way, semiconductors include GaAs, InP, Si, and the like, and there are semiconductors in which the spin of each atomic nucleus is not zero. As shown in FIG. 12A, if the spin of the nucleus (nuclear spin 1201) is not 0, the direction of the nuclear spin 1201 is aligned by the initialized electron spin 1202 as shown in FIG. 12B. The magnetic field 1203 is generated. In this state, as described with reference to FIG. 18, the initialized spin may be relaxed.

材料(半導体)の持つ核スピンの値は、材料を構成する原子の原子番号と質量数によって決定され、GaとAsは3/2、Inは9/2などの値を持つ。ただし、原子番号と質量数が両方とも偶数のものはスピンが0である。ここで、Siから閉じ込め層を構成しSiO2から量子ドットを構成した量子ドット構造で、上述したスピン初期化を実行すると、初期化の状態が、GaAs/AlGaAsで構成した量子ドット構造より長い時間保持されることが確認されている。なお、Siを用いる場合、価電子帯のバンドオフセットの方が伝導帯より大きくなるため、正孔のスピンが制御されるようになる。 The value of the nuclear spin of the material (semiconductor) is determined by the atomic number and mass number of the atoms constituting the material, and Ga and As have values of 3/2, In has a value of 9/2, and the like. However, when the atomic number and the mass number are both even, the spin is 0. Here, when the above-described spin initialization is performed in the quantum dot structure in which the confinement layer is composed of Si and the quantum dots are composed of SiO 2 , the initialization state is longer than the quantum dot structure composed of GaAs / AlGaAs. It has been confirmed that it is retained. When Si is used, the valence band offset is larger than the conduction band, so that the spin of holes is controlled.

以上に説明したように、本実施の形態によれば、磁場を与える構成(外部磁場)や電極などを設けることなく、簡単な構成で、電子や正孔のスピンの向きを制御できるようになる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to control the spin directions of electrons and holes with a simple configuration without providing a configuration (external magnetic field) or an electrode for applying a magnetic field. .

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。   Hereinafter, it demonstrates in detail using an Example.

[実施例1]
はじめに、実施例1について説明する。図13は、実施例1における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。この半導体電子スピン操作装置は、GaAsからなる量子ドット1301と、量子ドット1301の周囲に配置されたAl0.3Ga0.7Asからなる障壁層1302とから構成された量子ドット構造1303を備える。量子ドット1301は、層厚2.8nm、平面視15nm角の直方体である。なお障壁層1302を構成するAlGaAsのAl組成を増加させると、量子ドット1301中に電子および励起子をより強く閉じ込めることができるが、半導体の品質(結晶性)が低下する。一方、Al組成を低下させると、結晶性は向上するが、量子ドット1301における電子および励起子の閉じ込め効果が弱くなる。
[Example 1]
First, Example 1 will be described. FIG. 13 is a configuration diagram illustrating the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the first embodiment. This semiconductor electron spin manipulation device includes a quantum dot structure 1303 including a quantum dot 1301 made of GaAs and a barrier layer 1302 made of Al 0.3 Ga 0.7 As arranged around the quantum dot 1301. The quantum dot 1301 is a rectangular parallelepiped having a layer thickness of 2.8 nm and a planar view of 15 nm square. If the Al composition of AlGaAs constituting the barrier layer 1302 is increased, electrons and excitons can be confined more strongly in the quantum dots 1301, but the quality (crystallinity) of the semiconductor is deteriorated. On the other hand, when the Al composition is lowered, the crystallinity is improved, but the confinement effect of electrons and excitons in the quantum dots 1301 is weakened.

また、この半導体電子スピン操作装置は、レーザ発振装置(第1光照射部)1311を備える。レーザ発振装置1311は、波長532nmのレーザ光を出射し、量子ドット構造1303に照射する。レーザ発振装置1311は、例えば、波長1064nmで発振する半導体レーザにYVO結晶が組み合わされ、YVO結晶により1064nmの2倍波を発生することで、波長532nmのレーザ光を出射する。   The semiconductor electron spin manipulation device includes a laser oscillation device (first light irradiation unit) 1311. The laser oscillation device 1311 emits laser light having a wavelength of 532 nm and irradiates the quantum dot structure 1303. For example, the laser oscillation device 1311 emits a laser beam having a wavelength of 532 nm by combining a semiconductor laser that oscillates at a wavelength of 1064 nm with a YVO crystal and generating a 1064 nm double wave by the YVO crystal.

また、この半導体電子スピン操作装置は、レーザ発振装置1312aと、レーザ発振装置1312aより照射されるレーザ光の偏光を制御する偏光調整器1312bと有する光照射部(第2光照射部)1312を備える。レーザ発振装置1312aは、よく知られた「Ti−Sapphire」レーザより構成され、出射するレーザ光の波長が、710〜900nmの範囲で可変可能とされている。また、偏光調整器1312bは、いわゆる1/4波長板から構成されたものであり、レーザ発振装置1312aより出射されるレーザ光の偏光を、円偏光に変更する。レーザ発振装置1312aおよび偏光調整器1312bにより円偏光の光を照射する光照射部(第2光照射部)1312が構成されている。   The semiconductor electron spin manipulation device further includes a light irradiation unit (second light irradiation unit) 1312 having a laser oscillation device 1312a and a polarization adjuster 1312b that controls the polarization of laser light emitted from the laser oscillation device 1312a. . The laser oscillation device 1312a is constituted by a well-known “Ti-Sapphire” laser, and the wavelength of the emitted laser light can be varied within a range of 710 to 900 nm. The polarization adjuster 1312b is formed of a so-called quarter-wave plate, and changes the polarization of the laser light emitted from the laser oscillation device 1312a to circularly polarized light. The laser oscillation device 1312a and the polarization adjuster 1312b constitute a light irradiation unit (second light irradiation unit) 1312 that irradiates circularly polarized light.

本実施例において、まず、レーザ発振装置1311より出射したレーザ光を、量子ドット構造1303(量子ドット1301)に照射することで、量子ドット1301に電子および正孔を生成させることができる。ここで、前述したように、正孔は、障壁層1302をトンネリングし、量子ドット1301に電子が残る。この状態で、レーザ発振装置1312aからのレーザ光を偏光調整器1312bを透過させて円偏光として量子ドット1301に照射すれば、荷電励起子が生成される。このとき、偏光調整器1312bにより、例えば、左回りの円偏光としたレーザ光を照射すれば、図8を用いて説明したように、量子ドット1301に下向きスピンの電子を生成させることができる。加えて、この状態を継続すれば、量子ドット1301における電子のスピンの向きを下向きに揃える(初期化する)ことができる。   In this embodiment, first, the quantum dots 1301 can generate electrons and holes by irradiating the quantum dot structure 1303 (quantum dots 1301) with laser light emitted from the laser oscillation device 1311. Here, as described above, the holes tunnel the barrier layer 1302, and electrons remain in the quantum dots 1301. In this state, when the laser light from the laser oscillation device 1312a is transmitted through the polarization adjuster 1312b and irradiated to the quantum dots 1301 as circularly polarized light, charged excitons are generated. At this time, by irradiating laser light having, for example, counterclockwise circularly polarized light with the polarization adjuster 1312b, it is possible to generate downward spin electrons in the quantum dots 1301, as described with reference to FIG. In addition, if this state is continued, the direction of spin of electrons in the quantum dots 1301 can be aligned downward (initialization).

本実施例によれば、レーザ発振装置1312aより出射するレーザ光の波長を728nmとすると、下向きスピンの電子と上向きスピンの電子との比が3:1となる初期化ができる。また、レーザ発振装置1312aより出射するレーザ光の波長を730nmとすると、下向きスピンの電子と上向きスピンの電子との比が5:1となる初期化ができる。また、レーザ発振装置1312aより出射するレーザ光の波長を731nmとすると、下向きスピンの電子と上向きスピンの電子との比が10:1となる初期化ができる。この波長731nmは、量子ドット1301に生成される荷電励起子のエネルギーを波長に換算したものに共鳴する波長である。このように、レーザ発振装置1312aからのレーザ光(第2光)を、荷電励起子のエネルギーに共鳴する波長とすることで、より効率的に初期化ができるようになる。   According to the present embodiment, when the wavelength of the laser light emitted from the laser oscillation device 1312a is 728 nm, initialization can be performed such that the ratio of the downward spin electrons to the upward spin electrons is 3: 1. Further, when the wavelength of the laser light emitted from the laser oscillation device 1312a is 730 nm, initialization can be performed so that the ratio of the downward spin electrons to the upward spin electrons is 5: 1. Further, when the wavelength of the laser light emitted from the laser oscillation device 1312a is 731 nm, initialization can be performed so that the ratio of the downward spin electrons to the upward spin electrons is 10: 1. This wavelength of 731 nm is a wavelength that resonates with the energy of the charged excitons generated in the quantum dots 1301 converted to a wavelength. As described above, the laser light (second light) from the laser oscillation device 1312a has a wavelength that resonates with the energy of the charged exciton, whereby initialization can be performed more efficiently.

なお、量子ドット構造を構成する材料としては、InGaAs/GaAsに限らず、InP/GaPなども用いることができる。また、GaAs/AlGaAs量子井戸構造を用いると、上述した量子ドット構造の場合に比較して特性が低下するが、初期化は可能である。   The material constituting the quantum dot structure is not limited to InGaAs / GaAs, and InP / GaP can also be used. In addition, when the GaAs / AlGaAs quantum well structure is used, the characteristics are deteriorated as compared with the case of the quantum dot structure described above, but initialization is possible.

ところで、電子のスピンを制御するための円偏光のレーザ光(第2光)の波長は、図14に示すように、上記波長に対応するエネルギー1401が、障壁層(障壁部)1302のバンドギャップより大きければよい。また、量子ドット1301に電子(および正孔)を生成させるためのレーザ光(第1光)の波長は、この波長に対応するエネルギー1402が、障壁層1302のバンドギャップより小さく、量子ドット(閉じ込め部)1301のバンドギャップより大きければよい。   By the way, the wavelength of the circularly polarized laser beam (second light) for controlling the spin of electrons is such that the energy 1401 corresponding to the wavelength is the band gap of the barrier layer (barrier portion) 1302 as shown in FIG. It needs to be larger. The wavelength of the laser light (first light) for generating electrons (and holes) in the quantum dot 1301 is such that the energy 1402 corresponding to this wavelength is smaller than the band gap of the barrier layer 1302 and the quantum dot (confinement). Part) 1301 may be larger than the band gap.

また、上述では、はじめに電子および正孔を生成するための第1光として、波長532nmのレーザ光を出射するレーザ発振装置1311を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、図15に示すように、レーザ発振装置1312aから出射した一部のレーザ光を半反射鏡1501を用いて取り出し、この取り出したレーザ光を反射鏡1502で反射させて2倍波発生装置1503に導き、2倍波発生装置1503で2倍波を発生させて第1光1511として量子ドット1301に照射してもよい。レーザ発振装置1312aから出射して半反射鏡1501を透過したレーザ光は、偏光調整器1312bを透過して円偏光の第2光1512として量子ドット1301に照射される。このように構成しても、上述同様に、電子スピンの方向が制御可能となり、初期化を行うことが可能である。   In the above description, the laser oscillation device 1311 that emits laser light having a wavelength of 532 nm is used as the first light for generating electrons and holes. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 15, a part of the laser light emitted from the laser oscillation device 1312a is extracted by using a semi-reflecting mirror 1501, and the extracted laser light is reflected by a reflecting mirror 1502 to generate a double wave generator 1503. The second harmonic wave may be generated by the second harmonic wave generator 1503 and irradiated to the quantum dots 1301 as the first light 1511. The laser light emitted from the laser oscillation device 1312a and transmitted through the semi-reflecting mirror 1501 is transmitted through the polarization adjuster 1312b and applied to the quantum dots 1301 as circularly polarized second light 1512. Even with this configuration, the direction of electron spin can be controlled and initialization can be performed as described above.

[実施例2]
次に、実施例2について説明する。図16は、実施例2における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。この半導体電子スピン操作装置は、GaAsからなる量子ドット1601と、量子ドット1601の周囲に配置されたAlGaAsからなる障壁層1602とから構成された量子ドット構造1603を備える。また、量子ドット構造1603は、GaAs基板1604の上に形成されている。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described. FIG. 16 is a configuration diagram illustrating the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the second embodiment. This semiconductor electron spin manipulation device includes a quantum dot structure 1603 including a quantum dot 1601 made of GaAs and a barrier layer 1602 made of AlGaAs arranged around the quantum dot 1601. The quantum dot structure 1603 is formed on the GaAs substrate 1604.

また、GaAs基板1604の上に、結晶成長により形成したAlGaAs層およびGaAs量子ドットによる量子ドット構造を用いた2つの半導体レーザ1611,半導体レーザ1612が設けられている。半導体レーザ1611のレーザ光出射端には、LiNbO3の結晶からなる2倍波発生部1613が形成されている。2倍波発生部1613は、電流注入により2倍波を発生させる動作が行える。また、半導体レーザ1612のレーザ光出射端には、円偏光用の偏光調整器1614が設けられている。 Further, two semiconductor lasers 1611 and 1612 using an AlGaAs layer formed by crystal growth and a quantum dot structure of GaAs quantum dots are provided on a GaAs substrate 1604. A double wave generator 1613 made of a LiNbO 3 crystal is formed at the laser beam emitting end of the semiconductor laser 1611. The second harmonic generation unit 1613 can perform an operation of generating a second harmonic by current injection. In addition, a polarization adjuster 1614 for circularly polarized light is provided at the laser light emitting end of the semiconductor laser 1612.

本実施例においても前述した実施例1と同様に、電子スピンの向きの操作ができる。まず、半導体レーザ1611より出射して2倍波発生部1613を透過したレーザ光を、量子ドット構造1603(量子ドット1601)に照射することで、量子ドット1601に電子および正孔を生成させることができる。ここで、前述したように、正孔は、障壁層1602をトンネリングし、量子ドット1601に電子が残る。この状態で、レーザ発振装置1612からのレーザ光を偏光調整器1614を透過させて円偏光として量子ドット1601に照射すれば、荷電励起子が生成される。このとき、偏光調整器1614により、例えば、左回りの円偏光としたレーザ光を照射すれば、量子ドット1601に下向きスピンの電子を生成させることができる。加えて、この状態を継続すれば、量子ドット1601における電子のスピンの向きを下向きに揃える(初期化する)ことができる。   Also in the present embodiment, the operation of the direction of electron spin can be performed as in the first embodiment. First, the quantum dot structure 1603 (quantum dot 1601) is irradiated with laser light emitted from the semiconductor laser 1611 and transmitted through the second harmonic generation unit 1613, thereby generating electrons and holes in the quantum dot 1601. it can. Here, as described above, the holes tunnel the barrier layer 1602, and electrons remain in the quantum dots 1601. In this state, charged excitons are generated when the laser light from the laser oscillation device 1612 is transmitted through the polarization adjuster 1614 and irradiated to the quantum dots 1601 as circularly polarized light. At this time, for example, by applying laser light in the form of counterclockwise circularly polarized light by the polarization adjuster 1614, the quantum dots 1601 can generate downward spin electrons. In addition, if this state continues, the spin direction of electrons in the quantum dots 1601 can be aligned downward (initialized).

なお、半導体レーザ1611,半導体レーザ1612は、別途に作製し、GaAs基板1604にウエハボンディング法によって取り付けて用いるようにしてもよい。   Note that the semiconductor laser 1611 and the semiconductor laser 1612 may be separately manufactured and attached to the GaAs substrate 1604 by a wafer bonding method.

[実施例3]
次に、実施例3について説明する。図17は、実施例3における半導体電子スピン操作装置の構成を示す構成図である。この半導体電子スピン操作装置は、Siからなる量子ドット1701と、量子ドット1701の周囲に配置された酸化シリコンからなる障壁層1702とから構成された量子ドット構造1703を備える。また、この半導体電子スピン操作装置は、レーザ発振装置(第1光照射部)1711および光照射部1712(第2光照射部)を備える。光照射部1712は、レーザ発振装置1712aおよびレーザ発振装置1712aより照射されるレーザ光の偏光を制御する偏光調整器1712bから構成されている。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described. FIG. 17 is a configuration diagram illustrating the configuration of the semiconductor electron spin manipulation device according to the third embodiment. This semiconductor electron spin manipulation device includes a quantum dot structure 1703 including a quantum dot 1701 made of Si and a barrier layer 1702 made of silicon oxide disposed around the quantum dot 1701. Further, this semiconductor electron spin manipulation device includes a laser oscillation device (first light irradiation unit) 1711 and a light irradiation unit 1712 (second light irradiation unit). The light irradiation unit 1712 includes a laser oscillation device 1712a and a polarization adjuster 1712b that controls the polarization of the laser light emitted from the laser oscillation device 1712a.

本実施例において、まず、量子ドット1701を構成するSiは、原子数14で質量数が28なので核スピンを持たない。また、障壁層1702を構成している酸化シリコンのOは、原子数8および質量数16であり、これも核スピンを持たない。このため、本実施例におけるレーザ発振装置1711は、出射する波長が170nmのレーザであり、レーザ発振装置1712aは、発振波長が1064nmのファイバレーザである。レーザ発振装置1711が出射するレーザは、ファイバレーザの6倍波である。   In this embodiment, first, Si constituting the quantum dot 1701 has no atomic spin because it has 14 atoms and 28 masses. Further, O of silicon oxide constituting the barrier layer 1702 has an atomic number of 8 and a mass number of 16, which also has no nuclear spin. For this reason, the laser oscillation device 1711 in this embodiment is a laser having an emission wavelength of 170 nm, and the laser oscillation device 1712a is a fiber laser having an oscillation wavelength of 1064 nm. The laser emitted from the laser oscillation device 1711 is a sixth harmonic of the fiber laser.

本実施例において、シリコンから構成される量子ドット1701では、図9を用いた説明とは異なり、価電子帯のバンドオフセットの方が伝導帯より大きくなる。このため、本実施例においては、2つのレーザ光の照射により、正孔スピンの向きが統一されるような初期化がなされる。また、この初期化の状態は、GaAs/AlGaAsによる量子ドット構造の場合より長時間保たれる。   In this embodiment, in the quantum dot 1701 made of silicon, unlike the description using FIG. 9, the band offset of the valence band is larger than the conduction band. For this reason, in this embodiment, initialization is performed so that the directions of hole spins are unified by irradiation of two laser beams. This initialization state is maintained for a longer time than in the case of the quantum dot structure of GaAs / AlGaAs.

以上に説明したように、本発明によれば、半導体に電子を生成し、生成する電子の濃度を制御可能であり、また、外部磁場および電極などを使用することなく、電子スピンの初期化など、電子スピンや正孔スピンの向きの制御が行える。これは、例えば、電子スピンを用いた量子コンピュータの性能向上に貢献する。また、電子スピンの向きの制御手段ともなるため、電子スピンを用いたメモリの実現も可能となる。このように、本発明によれば、情報処理および情報記録の能力を飛躍的に向上させることができる。   As described above, according to the present invention, electrons can be generated in a semiconductor, the concentration of generated electrons can be controlled, and initialization of electron spins can be performed without using an external magnetic field and electrodes. The direction of electron spin and hole spin can be controlled. This contributes, for example, to improving the performance of quantum computers using electron spin. Further, since it also serves as a means for controlling the direction of electron spin, it is possible to realize a memory using electron spin. Thus, according to the present invention, the ability of information processing and information recording can be dramatically improved.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、第1光を照射している状態で第2光を照射するようにしたが、これに限るものではない。第1光の照射により生成した電子の存在が維持されていれば、電子が生成された後、第1光の照射は必要なく、第2光の照射によりスピンの向きの操作が可能となる。また、閉じ込め構造は、量子ドット構造および量子井戸構造に限らず、量子細線構造であってもよい。   It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the second light is irradiated in a state where the first light is irradiated. However, the present invention is not limited to this. If the presence of the electrons generated by the first light irradiation is maintained, the first light irradiation is not necessary after the electrons are generated, and the spin direction can be manipulated by the second light irradiation. The confinement structure is not limited to the quantum dot structure and the quantum well structure, and may be a quantum wire structure.

101…閉じ込め部、102…障壁部、103…閉じ込め構造、104…第1光照射部、105…第2光照射部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Confinement part, 102 ... Barrier part, 103 ... Confinement structure, 104 ... 1st light irradiation part, 105 ... 2nd light irradiation part.

Claims (9)

半導体より構成されたキャリアを閉じ込める閉じ込め部、およびこの閉じ込め部よりエネルギーギャップの大きい材料から構成された障壁部から構成された閉じ込め構造に、前記障壁部を構成する前記材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射して前記閉じ込め部に電子を生成する第1ステップと、
前記閉じ込め構造に、前記半導体のエネルギーギャップより大きく前記材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射して前記閉じ込め部に励起子を生成する第2ステップと
を少なくとも備え
前記第2光の照射により生成した励起子により生成してスピン緩和した荷電励起子の一部が円偏光を放出して遷移した電子がスピン緩和する緩和時間は、前記第2光の照射によって前記荷電励起子が生成する時間より長く、
前記第2ステップでは、前記励起子の生成により生成した荷電励起子の一部が円偏光を放出して電子に遷移するまで前記第2光の照射を継続して電子がいずれかのスピンの向きに揃った状態に初期化する
ことを特徴とする半導体電子スピン操作方法。
In a confinement structure composed of a confinement part confining carriers composed of a semiconductor and a barrier part composed of a material having a larger energy gap than the confinement part, an energy larger than the energy gap of the material constituting the barrier part a first step of generating electrons in said containment portion by irradiating a first light,
The confinement structure is irradiated with circularly polarized second light selected from clockwise and counterclockwise with energy larger than the energy gap of the semiconductor and smaller than the energy gap of the material, and excitons are placed on the confinement portion. And at least a second step of generating ,
The relaxation time in which a part of the charged excitons generated by the excitons generated by the irradiation of the second light and spin-relaxed emits circularly polarized light and the transitioned electrons undergo spin relaxation is determined by the irradiation of the second light. Longer than the time that charged excitons generate,
In the second step, the irradiation of the second light is continued until a part of the charged excitons generated by the generation of the excitons emits circularly polarized light and transitions to electrons, and the electrons are in any spin direction. A method for operating a semiconductor electron spin, wherein the method is initialized to a state in which the semiconductor electron spins are aligned .
請求項1記載の半導体電子スピン操作方法において、
前記閉じ込め構造は、量子ドット構造、量子井戸構造,量子細線構造の中より選択されたものであることを特徴とする半導体電子スピン操作方法。
The semiconductor electron spin manipulation method according to claim 1.
The semiconductor electron spin manipulation method, wherein the confinement structure is selected from a quantum dot structure, a quantum well structure, and a quantum wire structure.
請求項1または2記載の半導体電子スピン操作方法において、
前記第2光の波長は、閉じ込め部に生成される荷電励起子のエネルギーに対応する波長に共鳴する
ことを特徴とする半導体電子スピン操作方法。
The semiconductor electron spin manipulation method according to claim 1 or 2,
The wavelength of said 2nd light resonates with the wavelength corresponding to the energy of the charged exciton produced | generated by the confinement part. The semiconductor electron spin operation method characterized by the above-mentioned.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体電子スピン操作方法において、
前記半導体および前記材料は、これらを構成する原子が核スピンを持たない
ことを特徴とする半導体電子スピン操作方法。
In the semiconductor electron spin operation method according to any one of claims 1 to 3,
A semiconductor electron spin manipulation method, wherein the semiconductor and the material do not have a nuclear spin in atoms constituting them.
半導体より構成されたキャリアを閉じ込める閉じ込め部、およびこの閉じ込め部よりエネルギーギャップの大きい材料から構成された障壁部から構成された閉じ込め構造と、
この閉じ込め構造に、前記障壁部を構成する材料のエネルギーギャップより大きなエネルギーの第1光を照射して前記閉じ込め部に電子を生成する第1光照射手段と、
前記閉じ込め構造に、前記半導体のエネルギーギャップより大きく前記材料のエネルギーギャップより小さなエネルギーで、右回りおよび左回りの中より選択された円偏光の第2光を照射して前記閉じ込め部に励起子を生成する第2光照射手段と
を少なくとも備え
前記第2光の照射により生成した励起子により生成してスピン緩和した荷電励起子の一部が円偏光を放出して遷移した電子がスピン緩和する緩和時間は、前記第2光の照射によって前記荷電励起子が生成する時間より長く、
前記第2光照射手段は、前記励起子の生成により生成した荷電励起子の一部が円偏光を放出して電子に遷移するまで前記第2光の照射を継続することで電子がいずれかのスピンの向きに揃った状態に初期化する
ことを特徴とする半導体電子スピン操作装置。
A confinement structure composed of a confinement portion for confining carriers composed of a semiconductor, and a barrier portion composed of a material having a larger energy gap than the confinement portion;
A first light irradiation means for irradiating the confinement structure with a first light having an energy larger than an energy gap of a material constituting the barrier portion to generate electrons in the confinement portion ;
The confinement structure is irradiated with circularly polarized second light selected from clockwise and counterclockwise with energy larger than the energy gap of the semiconductor and smaller than the energy gap of the material, and excitons are placed on the confinement portion. And at least a second light irradiation means for generating ,
The relaxation time in which a part of the charged excitons generated by the excitons generated by the irradiation of the second light and spin-relaxed emits circularly polarized light and the transitioned electrons undergo spin relaxation is determined by the irradiation of the second light. Longer than the time that charged excitons generate,
The second light irradiation means continues irradiation of the second light until a part of the charged excitons generated by the generation of the excitons emits circularly polarized light and transitions to electrons, whereby any one of the electrons is A semiconductor electron spin manipulating device, which is initialized to a state aligned with a spin direction .
請求項5記載の半導体電子スピン操作装置において、
前記閉じ込め構造は、量子ドット構造、量子井戸構造,量子細線構造の中より選択されたものであることを特徴とする半導体電子スピン操作装置。
The semiconductor electron spin manipulation device according to claim 5, wherein
The semiconductor electron spin manipulation device, wherein the confinement structure is selected from a quantum dot structure, a quantum well structure, and a quantum wire structure.
請求項5または6記載の半導体電子スピン操作装置において、
前記第2光の波長は、閉じ込め部に生成される荷電励起子のエネルギーに対応する波長に共鳴する
ことを特徴とする半導体電子スピン操作装置。
The semiconductor electron spin manipulation device according to claim 5 or 6,
The wavelength of said 2nd light resonates with the wavelength corresponding to the energy of the charged exciton produced | generated by the confinement part. The semiconductor electron spin operation apparatus characterized by the above-mentioned.
請求項5〜7のいずれか1項に記載の半導体電子スピン操作装置において、
前記第1光照射手段および前記第2光照射手段は、レーザより構成されていることを特徴とする半導体電子スピン操作装置。
The semiconductor electron spin manipulation device according to any one of claims 5 to 7,
The semiconductor electron spin manipulation device, wherein the first light irradiation means and the second light irradiation means are constituted by a laser.
請求項5〜8のいずれか1項に記載の半導体電子スピン操作装置において、
前記半導体および前記材料は、これらを構成する原子が核スピンを持たない
ことを特徴とする半導体電子スピン操作装置。
The semiconductor electron spin manipulation device according to any one of claims 5 to 8,
In the semiconductor and the material, a semiconductor electron spin manipulation device is characterized in that atoms constituting them do not have a nuclear spin.
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JP2014027074A (en) * 2012-07-26 2014-02-06 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Nuclear spin state control method, detection method, control device, and detection device

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