GaAs半導体量子ドットを用いた単一フォノンの生成と検出

使用 GaAs 半导体量子点产生和检测单声子

基本信息

批准号：
19J01737
负责人：
黒山和幸
金额：
$ 3.08万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J01737/
关键词：
GaAs横型量子ドットスピン電子-フォノン相互作用

项目摘要

GaAs横型二重量子ドットを用いて非平衡フォノンによる単電子スピンの反転レートを計測した実験について、理論計算によるレートの導出と完全計数統計の手法を用いた精密なレートの評価手法の開発を行った。これらによって得られたスピン反転レートの値を比較し、考案したフォノン誘起のスピン反転過程のメカニズムの妥当性を検証した。まず、理論計算については、実験当初、観測されているスピン反転現象は、ドット内で準位間のフォノン励起が起こる過程と、スピン軌道相互作用によりスピン反転を伴ってフォノン緩和する過程とが逐次的に起こっているものと考えていた。しかし、完全計数統計の手法による精密なスピン反転レートの解析により、二重ドットが共鳴な場合には、2つの過程が同時に起きる2次のフォノン励起過程(2フォノン過程)を考えるべきであることが明らかになった。そこで、共同研究者の協力を得て、スピン軌道相互作用と電子-フォノン相互作用の2次の項が共存するハミルトニアンを用いて、2フォノン過程によるスピン反転レートを求める理論式の導出を行った。現在、理論式の数値計算を行い、測定結果との比較している段階であり、今後速やかに論文を投稿する。これに加えて、スピン反転レートの評価に使用している完全計数統計について、そのレートの解析手法の改善を行った。実験では二重ドットの電荷状態を実時間に読み出した信号を取得し、その統計を取ることでレートの解析を行うが、このとき測定点の積算時間が有限であるために、積算時間内での電荷状態の遷移を数え落とす事象が存在していた。そのような事象を考慮して、レートの補正法を新たに考案し、レートの解析手法に取り入れた。さらに、完全計数統計におけるより高次のキュムラントを評価することで、より複雑なスピン・電荷状態遷移のレートを評価する手法も同時に開発した。以上の研究成果は、現在学術誌に投稿中である。

针对使用GaAs横向双量子点测量非平衡声子引起的单电子自旋反转速率的实验，我们通过理论计算得出了该速率，并使用完全计数统计方法开发了精确的速率评估方法。我们比较了这些方法获得的自旋反转率的值，验证了我们设计的声子诱导自旋反转过程机制的有效性。首先，关于理论计算，实验开始时观察到的自旋反转现象包括在点内发生能级之间的声子激发的过程以及由于自旋轨道相互作用而导致声子随着自旋反转而弛豫的过程。认为这正在发生。然而，使用全计数统计方法对自旋反转率进行精确分析表明，如果双点发生共振，我们应该考虑两个过程同时发生的二阶声子激发过程（双声子过程）。。因此，在共同研究人员的合作下，我们推导出了使用自旋轨道相互作用和电子声子相互作用的二阶项共存的哈密顿量来计算双声子过程引起的自旋翻转率的理论公式。目前我们正在对理论公式进行数值计算并与测量结果进行比较，很快就会提交论文。此外，我们改进了用于评估旋转反转率的完整计数统计的分析方法。实验中，实时读出双点的电荷态并统计分析速率，但由于测量点的积分时间是有限的，因此出现了对双点的电荷态跃迁进行倒计时的事件。。考虑到此类事件，我们设计了一种新的速率校正方法并将其纳入速率分析方法中。此外，我们同时开发了一种通过评估完整计数统计中的高阶累积量来评估更复杂的自旋/电荷状态转变速率的方法。上述研究成果目前正在提交给学术期刊。