(57)【要約】【課題】固体中の任意の位置で核スピン状態を制御する。【解決手段】サンプル１に形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、二次元電子層中の二次元電子ガスを、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する。シングルモードファイバ６にレーザー光を導光し、この光をサンプル１に照射することでサンプル１を励起する。サンプル１を励起することによって、励起した部分において電子スピンと核スピン間の超微細相互作用を増加させ、核スピンを偏極させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御ステップと、
電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御ステップとを備えることを特徴とする核スピン状態の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の核スピン状態の制御方法において、
前記第２の制御ステップは、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とする核スピン状態の制御方法。
【請求項３】
二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御ステップと、
前記二次元電子の発光を分光する検出ステップとを備えることを特徴とする核スピン状態の検出方法。
【請求項４】
請求項３記載の核スピン状態の検出方法において、
前記検出ステップは、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とする核スピン状態の検出方法。
【請求項５】
サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御手段と、
電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とする核スピン状態制御装置。
【請求項６】
請求項５記載の核スピン状態制御装置において、
前記第２の制御手段は、
光源と、
この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する光学系と、
前記サンプルと前記光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、
二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とする核スピン状態制御装置。
【請求項７】
サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御手段と、
前記二次元電子の発光を分光する検出手段とを備えることを特徴とする核スピン状態検出装置。
【請求項８】
請求項７記載の核スピン状態検出装置において、
前記検出手段は、
光源と、
この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する第１の光学系と、
前記サンプルからの発光を導く第２の光学系と、
この第２の光学系によって導かれた光を分光する分光器と、
前記サンプルと前記第１、第２の光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、
二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とする核スピン状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体中の核スピン状態の空間的な制御方法、および検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１や非特許文献１にあるように、エネルギー準位が同一で異なるスピン状態が混在する量子ホール状態で、電流印加によって核スピン状態を制御し、この核スピン状態を抵抗測定により検出できることが示されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６３８８４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J.H.Smet，et al.，“Gate-voltage control of spin interactions between electrons and nuclei in a semiconductor”，Nature，Volume 415，pp.281-286，2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、非特許文献１に開示された従来の手法は、核スピンを偏極させるために電流を印加しているが、空間分解能を有していないため、所望の位置にある核スピン状態のみを制御することが困難であるという課題があった。
【０００６】
また、従来の手法は、核スピン状態を検出するために抵抗測定を行っているが、空間分解能を有していないため、所望の位置にある核スピン状態のみを検出することが困難であるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することを目的とする。
また、本発明は、固体中の任意の位置で核スピン状態を検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の核スピン状態の制御方法は、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御ステップと、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御ステップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態の制御方法の１構成例において、前記第２の制御ステップは、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の核スピン状態の検出方法は、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御ステップと、前記二次元電子の発光を分光する検出ステップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態の検出方法の１構成例において、前記検出ステップは、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の核スピン状態制御装置は、サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御手段と、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態制御装置の１構成例において、前記第２の制御手段は、光源と、この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する光学系と、前記サンプルと前記光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の核スピン状態検出装置は、サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御手段と、前記二次元電子の発光を分光する検出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態検出装置の１構成例において、前記検出手段は、光源と、この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する第１の光学系と、前記サンプルからの発光を導く第２の光学系と、この第２の光学系によって導かれた光を分光する分光器と、前記サンプルと前記第１、第２の光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御し、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御することにより、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することができる。
【００１３】
また、本発明では、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御し、二次元電子の発光を分光することにより、固体中の任意の位置で核スピン状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る核スピン状態制御装置の光学系部分の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る核スピン状態制御装置のサンプル部分の構成を示す図である。
【図３】二次元電子ガスの複合フェルミオン・ランダウ準位のエネルギーと磁場（電子密度）との関係を模式的に示す図である。
【図４】サンプル上の核スピン偏極が生じる領域を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る核スピン状態検出装置の光学系部分の構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態において分光器によって得られる、二次元電子の発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［発明の原理］
本発明の核スピン状態の制御方法は、量子ホール状態にある二次元電子において、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御するようにしたものである。量子ホール状態は、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態である。
【００１６】
例えば、ランダウ準位占有率が２／３であるとき、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のダウンスピンを有する電子のエネルギー準位と、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンを有する電子のエネルギー準位とが一致する状態、すなわち、エネルギー準位が同一で異なるスピン状態が混在する量子ホール状態がある。この際、電子スピンのエネルギーと核スピンのエネルギーがほぼ等しいため、電子スピンと核スピンが相互作用し、フリップ・フロップ過程により核スピンは一定方向に偏極する。光照射によって、局所的にこのフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の位置にある核スピン状態のみを選択的に制御することができる。
【００１７】
また、本発明の核スピン状態の検出方法は、電子スピンと核スピンの相互作用を反映する、量子ホール状態にある二次元電子の発光を分光することによって核スピン状態を検出するようにしたものである。
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る核スピン状態制御装置の光学系部分の構成を示す図である。核スピン状態制御装置は、シングルモードファイバ６を出射した光を固体のサンプル１上に結像させる２枚のレンズ２，５と、マルチモードファイバ１０を出射した光をサンプル１上に結像させる２枚のレンズ２，９とを備えている。これらのレンズのうちサンプル１に近いレンズ２は、シングルモードファイバ６に係る光学系とマルチモードファイバ１０に係る光学系で共通のものになっている。
【００１９】
シングルモードファイバ６とサンプル１との間には、左円偏光または右円偏光のいずれか一方のみを透過させる円偏光フィルター４が設置される。マルチモードファイバ１０とサンプル１との間には、直線偏光のみを透過させる直線偏光子８が設置される。シングルモードファイバ６を出射した光のうち左円偏光または右円偏光のいずれか一方の光が円偏光フィルター４を透過し、ビームスプリッター３に入射する。また、マルチモードファイバ１０を出射した光のうち直線偏光のみが直線偏光子８を透過し、ミラー７によって反射された後にビームスプリッター３に入射する。こうして、マルチモードファイバ１０を出射した光とシングルモードファイバ６を出射した光は、ビームスプリッタ３によって同一の光学ラインに導かれる。レンズ２は、ビームスプリッター３からの光をサンプル１上に集光する。
【００２０】
サンプル１と光学系部分（２〜１０）とは、その相対位置を制御できるように、図示しないピエゾステージなどの駆動手段によって駆動される。このとき、ピエゾステージは、サンプル１と光学系部分（２〜１０）の両方を移動させてもよいし、どちらか一方のみを移動させてもよい。
【００２１】
図２は本実施の形態に係る核スピン状態制御装置のサンプル部分の構成を示す図である。サンプル１は、高濃度にドーパントをドープした低抵抗のＧａＡｓ層からなるゲート電極１１と、ゲート電極１１の上に積層された高抵抗のＧａＡｓ層からなるバリア層１２と、バリア層１２の上に積層された、１枚あるいは２枚のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合によって形成される二次元電子層１３と、二次元電子層１３の上に積層された高抵抗のＧａＡｓ層からなるバリア層１４と、バリア層１４の上に積層された金属層からなるゲート電極１５とからなる。なお、図２の二次元電子層１３中に示した点線は、二次元電子ガスを模式的に示すものである。サンプル１の積層構造は、周知の分子線エピタキシー法で形成することができる。
【００２２】
さらに、サンプル１の部分には、ゲート電極１１と二次元電子層１３との間に電圧を印加する電源１６と、ゲート電極１５と二次元電子層１３との間に電圧を印加する電源１７と、磁場Ｂを二次元電子層１３の層厚方向に印加する、磁場強度を可変できる磁場発生装置１８とが設けられている。電源１６，１７と磁場発生装置１８とは、第１の制御手段を構成している。
【００２３】
以上の構成で、本実施の形態における核スピン状態の制御法に関して説明する。二次元電子層１３中のヘテロ接合界面には、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのバンドギャップエネルギーの違いに基づいたポテンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁には、電源１６，１７によってバイアス電圧が印加される。バイアス電圧の方向が順方向電圧であれば、二次元電子層１３中に伝導電子が注入される。電源１６，１７のバイアス電圧の方向および大きさを独立に制御することにより、二次元電子層１３中へ注入される伝導電子の密度を制御することができる。
【００２４】
核スピン状態を制御するには、電源１６，１７の電圧制御による二次元電子層１３中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および磁場発生装置１８から二次元電子層１３の層厚方向に印加する磁場Ｂの強度の制御のうち少なくとも一方を行って、二次元電子層１３中の二次元電子ガスを、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する。
【００２５】
エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態は、例えば、ランダウ準位充填率νが２／３において実現される。この充填率においてエネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する状態では、分数量子ホール効果のため０となっていた縦抵抗が有限の値を持つため、核スピン偏極に必要な電子密度、磁場強度をあらかじめ知ることができる。
【００２６】
図３は二次元電子ガスの複合フェルミオン・ランダウ準位のエネルギーと磁場（電子密度）との関係を模式的に示す図である。図３の横軸は磁束密度Ｂを表し、縦軸は、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のアップスピンとダウンスピンのエネルギー準位と、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンのエネルギー準位を示している。図３の点線で示すように、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のダウンスピンのエネルギー準位と複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンのエネルギー準位とが交差する磁場強度が存在する。この磁場強度においては、アップスピンとダウンスピンの電子が同じエネルギー準位を有して混在する。
【００２７】
このようにエネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態において、図示しないレーザー光源からシングルモードファイバ６にレーザー光を導光し、このレーザー光をレンズ５、円偏光フィルター４、ビームスプリッター３およびレンズ２を介してサンプル１に照射することでサンプル１を励起する。サンプル１を励起することによって、励起した部分において電子スピンと核スピン間の超微細相互作用を増加させることができ、結果として核スピンを偏極させることができる。
【００２８】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）はサンプル上の核スピン偏極が生じる領域を示す図であり、サンプル１を例えば上から見たときに核スピン偏極している領域と核スピン偏極していない領域とを色分けで示した図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の白い部分が核スピン偏極している領域である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の横軸はサンプル１の面内方向のうち横方向（例えば図２左右方向）の座標を示し、縦軸はサンプル１の面内方向のうち縦方向（例えば図２の紙面に垂直な方向）の座標を示している。
【００２９】
図４（Ａ）はサンプル１と光学系部分（２〜１０）のうち少なくとも一方をピエゾステージなどによって駆動し、サンプル１上の集光位置を横方向に移動させることにより、サンプル１を横方向へ走査した場合を示し、図４（Ｂ）はサンプル１上の集光位置を縦方向に移動させることにより、サンプル１を縦方向へ走査した場合を示している。
以上のように、本実施の形態によれば、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することができる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係る核スピン状態検出装置の光学系部分の構成を示す図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。図５における１９は分光器である。マルチモードファイバ１０とレンズ９と直線偏光子８とミラー７とビームスプリッター３とレンズ２とは、第１の光学系を構成し、シングルモードファイバ６とレンズ５と円偏光フィルター４とビームスプリッター３とレンズ２とは、第２の光学系を構成している。サンプル部分の構成は図２に示したとおりである。
【００３１】
本実施の形態においても、二次元電子層１３中の二次元電子ガスを、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する方法は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
この量子ホール状態において、図示しないレーザー光源からマルチモードファイバ１０にレーザー光を導光し、このレーザー光をレンズ９、直線偏光子８、ミラー７、ビームスプリッター３およびレンズ２を介してサンプル１に照射することでサンプル１を励起する。
【００３２】
そして、サンプル１からの発光は、レンズ２、ビームスプリッター３および円偏光フィルター４を介してレンズ５に入射する。レンズ５は、入射した光をシングルモードファイバ６の端面に集光する。こうして、サンプル１からの発光がシングルモードファイバ６内を伝搬し、分光器１９に入射する。
【００３３】
図６は分光器１９によって得られる、二次元電子の発光スペクトルを示す図である。図６の横軸は光のエネルギーを示し、縦軸は光の強度を示している。図６の６０は核スピン偏極ありの場合を示し、６１は核スピン偏極なしの場合を示している。このように、核スピン偏極の有無によって、発光スペクトルに変化が生じるので、核スピン状態を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、核スピンを媒体とする核スピンメモリーの書き込み、読み出し技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…サンプル、２，５，９…レンズ、３…ビームスプリッタ、４…円偏光フィルター、６…シングルモードファイバ、７…ミラー、８…直線偏光子、１０…マルチモードファイバ、１１，１５…ゲート電極、１２，１４…バリア層、１３…二次元電子層、１６，１７…電源、１８…磁場発生装置、１９…分光器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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