半導体量子ドットに局在したプラズモンとテラヘルツ光共振器との超強結合状態の研究

半导体量子点局域等离子体与太赫兹光学谐振腔之间的超强耦合研究

基本信息

批准号：
22K03481
负责人：
黒山和幸
金额：
$ 2.75万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03481/
关键词：
半導体量子ドットテラヘルツ光共振器テラヘルツ強結合

项目摘要

量子ドットや量子ポイントコンタクト（QPC）といったGaAs半導体中に形成されるナノ構造をオンチップのテラヘルツ共振器の近傍に作製することにより、ナノ構造を伝導する電子とTHz共振器との強結合状態を実現する実験を行った。極低温に冷却されたナノ構造に対して、THz電磁波を外部から照射し、そのときに現れるTHz誘起の電流変化（光電流）を入射周波数と面直磁場に関するスペクトルとして計測した。まず、QPCを形成して、光電流スペクトルを計測した結果、二次元電子のサイクロトロン励起と共振器とのコヒーレントな結合状態を示す反交差信号が観測された。特に結合強度を評価すると、この結合系が超強結合状態を達成していることが確認できた。さらにQPCを透過する量子ホールエッジチャネルの本数を制御することで、非常に明瞭な反交差信号の観測できることが分かった。オンチップのTHz共振器の超強結合状態に関する研究は非常に活発に行われているが、電気測定による観測は報告数が非常に限られており、未だ明瞭な信号を得ることは困難であった。本研究では、QPCを用いることで、単一の共振器であっても十分な信号を読み出すことに成功しており、今後超強結合系の理解の更なる進展に貢献するものと期待する。次に、QPCに閉じ込めを強くすると、反交差信号の真ん中にもう一本別の信号が現れることが分かり、これはQPCにおけるサブバンド間の共鳴励起に起因するものと考えられる。さらに、この信号は、反交差信号の高エネルギー側のモードをより高エネルギー側に押し上げるような振る舞いをしており、QPCのサブバンド間励起もTHz共振器に結合していることが分かった。さらに、同様の振る舞いが量子ドットに対しても得られており、これは量子ドットに捕捉された電子の準位間共鳴励起とTHz共振器とのコヒーレントな結合状態を実現しているものと解釈している。

通过在片上太赫兹谐振器附近制造在砷化镓半导体中形成的纳米结构，例如量子点和量子点接触（QPC），我们可以在传导纳米结构的电子和太赫兹谐振器之间创建强耦合态。这。从外部用太赫兹电磁波照射冷却到极低温度的纳米结构，测量此时出现的太赫兹感应电流变化（光电流）作为与入射频率和垂直磁场相关的频谱。首先，我们形成了 QPC 并测量了光电流谱，结果，我们观察到了表明二维电子回旋激发和谐振器之间存在相干耦合状态的反交叉信号。特别是，当评价接合强度时，证实该接合系统实现了超强接合状态。此外，通过控制穿过QPC的量子霍尔边缘通道的数量，发现可以观察到非常清晰的反交叉信号。关于片上太赫兹谐振器的超强耦合态的研究非常活跃，但利用电测量进行观测的报告数量非常有限，并且仍然很难获得清晰的信号。在这项研究中，我们使用 QPC 成功地从单个谐振器中读出了足够的信号，我们希望这将有助于未来理解超强耦合系统的进一步进展。接下来，当QPC中的限制加强时，在反交叉信号的中间出现另一个信号，这被认为是由于QPC中子带之间的谐振激励。此外，我们发现该信号的行为方式将反交叉信号的高能模式推向更高能量侧，并且 QPC 的子带间激励也耦合到太赫兹谐振器。此外，量子点也获得了类似的行为，这被解释为实现了量子点中捕获的电子的层间共振激发与太赫兹谐振器之间的相干耦合态。