(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】小出昭一郎  著、「量子力学」（改訂版）、裳華房、１９９０。
【非特許文献２】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。
【非特許文献３】M. Atature, et al. , "Quantum-Dot Spin-State Preparation with Near-Unity Fidelity", SCIENCE, vol.312, pp.551-553, 2006.
【非特許文献４】D.Press1, et al. ,"Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses", Nature, Vol.456, pp.218-221, 2008.
【非特許文献５】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.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】図４は、励起子の生成を説明するための説明図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１Ａ】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。
【図１１Ｂ】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００５７】
［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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
［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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
［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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
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。
【図１】
0005554627.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005554627.tif 000008
【図８】
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【図９】
0005554627.tif 000010
【図１０】
0005554627.tif 000011
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
0005554627.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0005554627.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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