大岩研究室 　Oiwa Laboratory

自己形成ナノ構造を使ったスピン操作と
スピンコヒーレンス

　半導体中の電子や正孔のスピン状態は良い量子2準位系とみなすことができ、その回転操作やスピンコヒーレンスは、量子計算機への応用を出口の一つにして、活発に研究されています。自己形成量子ドットやナノ細線はそれ自体がすでに良好な量子構造であり、また広範な材料の選択が可能であるため、量子ドットや1次元細線におけるスピン制御とそのコヒーレンスの研究だけでなく、超伝導や強磁性といった固体物性を代表する多体相関との相関など、固体物理の新しい現象の研究が可能になります。


　InAs自己形成量子ドットは、スピン軌道相互作用が強く、電子のｇ因子も大きいため、スピンに依存する特徴的な現象が顕著に観測できます。特にスピン軌道相互作用はスピン緩和やスピンコヒーレンスを乱す主要因の一つである一方で、外部磁場を制御せずスピンを操作する重要な性質です。これまでInAs量子ドットのスピン軌道相互作用の起源を明らかにし[1]、電気的制御に成功しています[2]。つまりスピン軌道相互作用を制御してスピン操作性とスピン緩和を制御して動作する高性能スピン素子が設計できます。またスピン状態を決めるｇ因子も電気的に制御でき、g因子の電場変調による新しいスピン操作の可能性を示してきました[3,4]。 またSiやGe系の自己形成ドットやナノ細線の研究も行います。GaやIn、AsなどIII-V族の原子はすべて核スピンを持ち、それが作る核磁場の揺らぎがスピンコヒーレンスを乱す主要因であることに対して、SiやGeは天然存在比で5％程度と少なく、核スピンの影響を抑え、量子演算や量子メモリーに求められる長いスピンコヒーレンス時間を実現する有力な材料です。そこで自己形成SiGe量子ドットも今後研究の対象にし、そのスピン物性とスピン量子ビットの開発を行います。


　自己形成ドットやナノ細線の特徴は、様々な材料との接合の作製が可能であることです。例えばこれまで超伝導体を電極として用いることで、超伝導トランジスタが実現されています[5,6]。そのような超伝導との接合は、超伝導体中のクーパー対の引力作用と量子ドットの中の斥力作用とが競合する大変興味深い系です。量子ドットジョセフソン接合での超伝導電流の観測[6,7]や、超伝導体／量子ドット／常伝導接合素子では、アンドレーエフ反射により超伝導界面に形成されるアンドレーエフ束縛状態をトンネル分光測定することに成功しています[8,9]。その他、スピンに関連した物性として、スピン多体相関である近藤効果も大変興味深い現象です。これは量子ドット中の局在スピンと電極の電子スピンとの結合によって引き起こされる現象です。InAs自己形成ドットでも近藤効果が観測されており[10]、さらにその相関の強さを電気的に制御するとともに、上述の超伝導との相関でも、近藤効果との競合が解明されつつあります[7,11]。


　近年、スピン軌道相互作用が強い系において、トポロジカル絶縁体と呼ばれる新しい固体相の研究が活発に行われています。その興味深い現象の一つが固体中のマヨラナ粒子の出現です。マヨラナ粒子はもともと素粒子の分野で提案された粒子で、ニュートリノがその候補であるという可能性が指摘されてきましたが、未だ発見されておりません。ところが最近、スピン軌道相互作用が強い系にs波超伝導体を接合させ外部から磁場をかけるとトポロジカル超伝導状態となり、マヨラナ束縛状態が出現するという理論提案がなされ、1次元ナノ細線を舞台にして、マヨラナ束縛状態の存在を示す実験が報告されましたが、まだ十分、その存在は実証されていません。このマヨラナ粒子の持つ非可換統計性を使うとトポロジカルに強固な量子計算が実現できるとの提案もなされ、とても魅力のある現象です。我々もInSbナノ細線を舞台にマヨラナ粒子の研究を行っています。

参考文献

1. "Large Anisotropy of the Spin-Orbit Interaction in a Single InAs Self-Assembled Quantum Dot", S. Takahashi, R. S. Deacon, K. Yoshida, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, Y. Tokura, S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 104, 246801 (2010).
2. "Electrically tuned spin-orbit interaction in an InAs self-assembled quantum dot", Y. Kanai, R.S. Deacon, S. Takahashi, A. Oiwa, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa, Y. Tokura, S. Tarucha, Nature Nanotechnology 6, 511 (2011). .
   
3. "Electrically tunable three-dimensional g-factor anisotropy in single InAs self-assembled quantum dots", S. Takahashi, R. S. Deacon, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. B 86, 161302(R) (2013).
4. "Electrically tuned g tensor in an InAs self-assembled quantum dot", R. S. Deacon, Y. Kanai, S. Takahashi, A. Oiwa, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa, Y. Tokura, and S. Tarucha, Phys. Rev. B 84, 041302 (2011).
5. "Lateral electron tunneling through single self-assembled InAs quantum dots coupled to superconducting nanogap electrodes", K. Shibata, C. Buizert, A. Oiwa, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Appl. Phys. Lett. 91, 112102 (2007).
6. "Control of supercurrent in a self-assembled InAs quantum dot Josephson junction by electrical tuning of level overlaps", Y. Kanai, R.S. Deacon, A. Oiwa, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa and S. Tarucha, Appl. Phys. Lett. 100, 202109 (2012).
7. "Electrical control of Kondo effect and superconducting transport in a side-gated InAs quantum dot Josephson junction", Y. Kanai, R. S. Deacon, A. Oiwa, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Tarucha, Phys. Rev. B 82, 054512 (2010).
8. "Kondo-enhanced Andreev transport in single self-assembled InAs quantum dots contacted with normal and superconducting leads", R. S. Deacon, Y. Tanaka, A. Oiwa, R. Sakano, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. B 81, 121308(R) (2010).
9. "Tunneling Spectroscopy of Andreev Energy Levels in a Quantum Dot Coupled to a Superconductor", R. S. Deacon, Y. Tanaka, A. Oiwa, R. Sakano, K. Yoshida, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 104, 076805 (2010).
10. "The spin-half Kondo effect in a single self-assembled InAs quantum dot at zero and a high magnetic field", Y. Igarashi, M. Jung, M. Yamamoto, A. Oiwa, T. Machida, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. B Rapid Commun. 76, 081303 R (2007).
11. "Kondo universality for a quantum dot coupled to superconducting leads", C. Buizert, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 99, 136806 (2007).