(57)【要約】  偏光変換、特に線形偏光から円形偏光に変換、重要なことはその逆も同様、を行う新規で効率的方法は、形状異方性の自己集合量子ドットを用いて得られる。その量子ドットは、極端に小サイズ（ナノメートル程度）の利点を有していて、光子結晶および／または他の光学的要素に容易に組み入れられる。このような素子はまた、付加磁界が無いときに働く利点をも有している。その素子は、電圧バイアスが掛けられているとき、同じ回路内で偏光を操作することによって電子スピンを操作するように用いられることもできる。逆の場合も同様である。これは、スピン器具および／または光学的素子において素子の一方または両方の高度な制御を許す。バイアスを受けた量子ドットは、ナノメートル程度の電子−光学的変調器として用いられる。方法および／または素子を利用する要素は、例えば、情報処理、量子計算、ホログラフィ、およびデータ記録のための高度に小型の光学的計算ネットワークおよび／またはスピン器具システムの一部として用いられてもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低対称性量子ドットにおける異方性交換分裂に基づいて線形偏光から円形偏光へおよびその逆へ偏光変換を行う方法。
【請求項２】
量子ドットにおける低対称性が、量子ドットの形状異方性を用いて達成され、および／または部分的に達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
量子ドットにおける低対称性が、組成変動、結晶学的異方性、および／または構造変動等（限定されない）の、形状異方性以外の方法を用いて、および／または、磁界および／または電界等（限定されない）の外部付加影響を用いることによって達成され、および／または部分的に達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ゼロ付加磁界を含む、請求項１−３の任意の一項に記載の方法。
【請求項５】
付加電圧バイアスを含む、請求項１−４の任意の一項に記載の方法。
【請求項６】
前記バイアスおよび／または他の手段が、光子の偏光状態、従って光子誘導電子のスピン状態を制御および／または選択するように用いられる、請求項１−５の任意の一項に記載の方法。
【請求項７】
前記バイアスおよび／または他の手段が、電子のスピン状態、従って電子誘導光子の偏光状態を制御および／または選択するように用いられる、請求項１−６の任意の一項に記載の方法。
【請求項８】
偏光変調が、繰り返しかつ非常な高速度および／または高変化率で実行される偏光変換等（限定されない）の手段によって可能にされる、請求項１−７の任意の一項に記載の方法。
【請求項９】
偏光変調が非常な高速度および／または高変化率で実行され、かつ、非分散光子に関するタイミング情報がつくられる、請求項１−８の任意の一項に記載の方法。
【請求項１０】
偏光変調が非常な高速度および／または高変化率で実行され、非分散光子に関するタイミング情報がつくられ、かつ、この情報が平面画像を可能にするように用いられる、請求項１−９の任意の一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１−１０の任意の一項に記載の量子ドットを含み、光子結晶、光学回路、スピン器具要素等（限定されない）の素子および／または構成部品であって、光学的偏光変換、光学的偏光選択、電子−光学的変調、ならびにスピン器具スピン選択、スピン変換、および制御等（限定されない）の用途のために用いられる素子および／または構成部品。
【請求項１２】
例えば、光学的情報処理、量子計算、ホログラフィ、および光学的記録等の光学的計算ネットワーク等の用途、ならびに例えば、情報蓄積および情報処理用のためのスピン器具システム等（限定されない）の用途に用いられる、請求項１１に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１３】
請求項１−７の任意の一項に記載の量子ドットが、自己集合ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ系（限定されない）である、請求項１１−１２の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１４】
科学技術が慣用の液晶ディスプレイ・モジュールに類似して動作する用途等（限定されない）のディスプレイの用途における、請求項１１−１３の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１５】
科学技術が、限定されないが、走査器要素、シャッタ、センサ、およびスイッチ等（限定されない）の慣用の液晶モジュールに類似して動作する用途等（限定されない）の光学的要素の用途における、請求項１１−１４の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１６】
スイッチ、減衰器、遮路器、変調器等（限定されない）の光学的スイッチングの用途における、請求項１１−１５の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１７】
超高速ブール系理論の用途における、請求項１１−１６の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１８】
医療画像等（限定されない）および／または走査器等（限定されない）の機器の用途における、請求項１１−１７の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項１９】
高速および／または高変化率での偏光の変調に基づく、請求項１１−１８の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２０】
高速および／または高変化率での偏光の変調に基づき、光子に関するタイミング情報をつくり、該タイミング情報が、非分散光子に基づく平面画像等（限定されない）の用途および／または走査器等（限定されない）の機器に用いられる、請求項１１−１９の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２１】
付加電界および／または磁界の結果として、伝送光または電磁気放射の２つの偏光状態間を切り替える、請求項１−１０の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２２】
線形偏光から円形偏光への変換が、量子ドットの平面に垂直な電界の付加によって制御されうる、請求項２１に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２３】
出射ビームの偏光の楕円率の程度および／または符号が、量子ドットの平面内の電界の付加によって制御されうる、請求項２１および／または２２に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２４】
出射ビームの偏光の楕円率の程度および／または符号が、量子ドットの平面またはその面に垂直な面内の磁界の付加によって制御されうる、請求項２１および／または２２に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２５】
出射偏光が、振動（ＡＣ）電界または磁界の付加によって、または量子ドットを電磁波に曝すことによって変調されうる、請求項２１−２４の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２６】
単独の量子ドットが、量子ドット集団に代えて用いられる、請求項１１−２５の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２７】
組立体が、石版印刷処理を介して達成される、請求項１１−２６の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２８】
機能要素が、入力および／または出力ファイバ・オプチィクスに連結される、請求項１１−２７の任意の一項に記載の素子および／または構成部品。
【請求項２９】
ファイバ・オプチィクスへの連結が、導波管を介して達成される、請求項２８に記載の素子および／または構成部品。
【請求項３０】
ファイバ・オプチィクスへの連結が、テーパ付きファイバを介して達成される、請求項２８に記載の素子および／または構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換方法および素子に関する。
【発明の開示】
【０００２】
偏光変換、特に線形偏光（linear polarization）から円形偏光（circular polarization）に変換、重要なことはその逆も同様、を行う新規で効率的方法は、形状異方性の自己集合量子ドットを用いて得られる。その量子ドットは、極端に小サイズ（ナノメートル程度）の利点を有していて、光子結晶および／または他の光学的要素に容易に組み入れられる。これらの量子ドット、従ってそれらを組み入れた構成部品もまた、極めて小サイズ（数十ナノメートル程度）の利点を有している。これらの構成部品は、非常に小型の光学的計算ネットワークおよび／またはスピン器具システム（spintronics systems）（例えば、情報処理、量子計算、ホログラフィ、およびデータ記録）の一部として用いられてもよい。
【０００３】
このような素子（device）は、付加磁界が無いときに働く利点をも有している。その素子は、電圧バイアスが掛けられているとき、同じ回路内で偏光を操作することによって電子スピンを操作するように用いられることもできる。逆の場合も同様である。これは、スピン器具および／または光学的素子において素子の一方または両方の高度な制御を許す。バイアスを受けた量子ドットは、ナノメートル程度の電子−光学的変調器（electro-optic modulator）として用いられる。
【０００４】
変換は、半導体量子ドットの異方性形状によって誘導された線形および円形偏光光子状態の量子ビートから始まる。半導体量子ドットは、異方性交換分裂を与えるように細長い形状、従って低対称性に故意に構成される。この異方性交換分裂は、非共振励起の下で組込み線形偏光として、準共振条件（quasi-resonant excitations）の下で円形−線形偏光変換として現れる。逆変換、すなわち線形−円形偏光変換が準共振条件の下で達成されうることが、本発明の重要な特徴である。偏光変換効果が付加磁界の無い場合に起こることも、本発明の重要な特徴である。
【０００５】
さらに、異方性交換分裂は、制御されうる量子ドットに存在する電子の数（偶数または奇数）によって決まる。同じ回路内の光偏光を操作することによって、電子スピンを操作することが可能である。その逆の場合も同様である。電圧バイアスは、光子の偏光状態、従って光子誘導電子のスピン状態を制御および／または選択するように用いられる。代案として、電圧バイアスは、電子の合計スピン、従って電子誘導光子の偏光状態を制御するように用いられる。これは、スピン器具および／または光学的素子における一方または両方の高度な制御を許す。バイアスを掛けられた量子ドットはナノメートル程度の電子−光学的変調器としての用途を有する。電子−光学的変調器は、光子の偏光のさいのコーヒレント（coherent）動作を支持することができるので、例えば、情報処理のために用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ量子ドットを示す。図１（ａ）はＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ量子ドット層の原子力マイクロスコープ画像を示す。ＱＤは、［１１０］軸に沿って細長くされている。図１（ｂ）は、非共振（破線曲線）および共振（実線曲線）励起用ＰＬスペクトルをそれぞれ示す。フォノンレプリカ（phonon replica）は、狭いピークとしてＰＬスペクトルにおいて良好に分解され、ＺｎＳｅにおいて３２ｍｅＶに等しいＬＯフォノンエネルギによってレーザ線から分離されている。
【０００７】
図２は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ ＱＤによる偏光変換を示す。図２（ａ）は、非共振σ＋（中空記号）およびσ−（中実記号）円形偏光励起の下でＰＬ最大時に検出された線形偏光の角度走査を示す。実線曲線は、ρ１，１′＝ρ０ｃｏｓ（２α）を仮定した適合度である。差込み図は、極座標における同じデータ（しかし、正の値に定数ρ０だけずらされている）を示す。図２（ｂ）は、σ＋（中空記号）およびσ−（中実記号）円形偏光励起下でフォノンレプリカに検出された線形偏光の角度走査を示す。実線曲線は、
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を仮定した適合度である。差込み図は、極座標における同じデータを示す。（再び、データは極プロットを可能にするように正の値にずらされた。）図２（ｃ）は、線形偏光共振励起下でフォノンレプリカに検出された円形偏光程度の角度走査を示す。曲線は、再びρｃ＝ρ０ｓｉｎ（２α）を仮定した適合度である。差込み図は、極座標における同じデータ（｜ρｃ｜＝｜ρ０ｓｉｎ（２α）｜）の絶対値を示す。すべてのパネルにおけるゼロ回転角度は、線形検光子（偏光器）が［１１０］結晶軸方向に平行に向けられている。すべてのデータについての磁界はゼロである。
【０００８】
図３は、電圧制御ＱＤ変換器の概略を示す。異方性交換分裂（anisotropic exchange splitting）
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の逆符号を持った２つのＱＤ層が、素子の能動領域を構成する。電子はオーム接点（ohmic contacts）によって与えられる。図３（ａ）は、正のバイアスにおいて電子が左の層に集められ、その結果、Ωｌ＝０となることを示す。［０１０］−線形偏光光が右のＱＤ層（Ωｒ＞０）によってσ＋円形偏光光に変換される。図３（ｂ）は、負のバイアスにおいて処理が逆転され、すなわち、Ωｒ＝０でかつΩｌ＜０となるので、［０１０］−線形偏光光がσ−円形偏光光に変換されることを示す。各パネルの下方部において、所定のバイアス方向に対する伝導帯（Ｅｃ）の斜視図が描かれている。
【０００９】
〔線形および円形偏光光子の絡合いを介した量子ドット偏光変換〕
光学的偏光変換用標準素子は、四元波プレート（quarter-wave plate）である。この場合、到来線形偏光光は、出口において円形偏光光に変換される。このような素子および類似の素子の組合せは、光学的情報処理の任意の組織に存在する。量子計算、ホログラフィ、光学的記録についても、偏光変換が最高度に重要である。光学−電子回路（opto-electronic circuits）の小型化および高密度集積に向けての一般的傾向は、この分野において多くの努力を刺激した。光学的結晶（photonic crystals）［１］に基づくすべての光学的ナノ構造集積回路が提案され［２］、そして実証された［３］。このような小型化システムは、偏光変換素子の実現のための新規な取組みを要求する。偏光変換素子は、最適集積を達成するために、ナノメートル・サイズでなければならず、光学的システムに容易に組み付けられなければならない。ここに、我々は自己集合量子ドット（ＱＤ）を用いた光学的偏光の効率的な変換について報告する。自己集合量子ドットは、サイズが数十ナノメートルであり、光子結晶に容易に集積されうる［４、５］。その変換は、半導体ＱＤの天然異方性形状から生じる線形および円形偏光状態の絡合いによって起こる［６、７、８］。さらに、異方性交換分裂はＱＤ内の電子の数によって決まる［９］。我々は、光子の偏光にコーヒレント動作を許しながら、バイアスを掛けられたＱＤがナノメートル程度の電子−光学的変調器（electro-optic modulator）として作用する技術を提案する。
【００１０】
量子ドット（ＱＤ）は、光学的周波数範囲内で線スペクトルを生じる本質的にゼロ寸法の半導体であり、従って人工原子として言及されている。ＡＦＭ画像（図１（ａ））から明らかにわかるように、我々がこの研究に使用している自己集合ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ ＱＤ（製造の詳細については、方法の章参照）は、格別の結晶軸に沿って細長くされる傾向がある。ドット集合の対称性は、閃亜鉛鉱の嵩張る格子（zinc blende bulk lattice）の全Ｔｄ対称性に比べて、Ｃ２ｖまで減少される。これは、このようなドットが極端な空間的異方性を示すことを暗示している。
【００１１】
光とＱＤドットとの間の相互作用は、励起の情報（formation of excitons）を生じる。この場合、光の偏光は励起のスピン状態に関連付けられている。励起それ自体は、クーロン電位によって結合された電子とホールとからなる。ＱＤの小容積内の励起の局限は、電子−ホール交換相互作用の強化を導く。我々のＱＤの低対称性のために、これは異方性交換分裂［１０］、
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を生じる。通常は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ ＱＤについて、
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である。この分裂は、線ダブレット（line doublets）の形成を介して単独のＱＤのホトルミネセンス（ＰＬ）・スペクトルにおいて直接に観察される［７、９］。ＱＤの集合が精査されたとき、交換分裂
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がＰＬ帯（図１（ｂ））のずっと大きい（〜３０ｍｅＶ）不均等拡張に埋没される。しかし、非共振励起については、熱平衡状態で異方性交換分裂が、組込み線形偏光としてそれ自体を証明する。図２（ａ）は、サンプルが角度αだけ回転される間に、固定座標基礎（fixed coordinate basis）において測定された線形偏光の程度を示す。偏光は、ちょうど線形偏光器について観察されるように、ｃｏｓ（２α）として振動する。図２（ａ）の差込み図において極プロットから明らかにわかるように、偏光軸は［１１０］結晶軸方向に関連付けられ、それは励起光の偏光（左右鏡像（the handedness of））に依存していない。この挙動は、図１（ａ）に見られるＱＤの形状から直観的に期待することである。
【００１２】
むしろより多くの反直観的結果が、準共振励起の下で観察される。ＱＤのＰＬスペクトルは、我々がレーザ線（図１（ｂ））のフォノン・レプリカとして起因すると考えている狭いピークによって現在実証されている。それは、ＬＯフォノンの放射と組み合わせた迅速励起再結合（fast excitonic recombination）によるように見える。これらの条件の下で、偏光軸は［１１０］結晶軸方向にもはや固定されない。図２（ｂ）に示すように、線形偏光の角度依存は、ｃｏｓ（２α±φ０）として挙動する。その場合プラス（マイナス）符号は、円形偏光励起光の左右鏡像によって決まる。この挙動は、図２（ｂ）の差込み図における極プロットから常により明確になる。偏光軸が［１１０］から角度φ０≒４０°だけσ＋について［１００］方向に向かって時計方向に回転され、そして、到来光のσ−偏光について［０１０］方向に向かって反時計方向に回転される。このような挙動は、実際に円形−線形偏光変換を暗示する。
【００１３】
σ±円形偏光励起の下で変換効率を評価するために、Ｐｃ＝±１で表示すれば、我々はポアンカレ球体の内側でベクトル［ρｌ′、ρｌ、ρｃ］によって放射光の合計偏光を記載する。ここで、ρｌ′は［１１０］に沿った線形偏光であり、ρｌは［１００］に沿った線形偏光であり、ρｃは［１１０］に沿った線形偏光である。これらのストークス座標は
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を満足する。効率的変換の下で、我々は条件｜ρｌ｜＞｜ρｌ′｜および｜ρｌ｜＞｜ρｃ｜を理解する。図２（ｂ）によれば、線形偏光の最大振幅は、ρ０＝２．７％であるので、我々はρｌ＝ρ０ｓｉｎ（２φ０）≒２．６％およびρｌ′＝ρ０ｃｏｓ（２φ０）≒０．４％を有する（方法の章参照）。我々は、光学指向（optical orientation）［１１］、すなわち円形偏光励起の下で放射光の円形偏光の程度を測定し、ρｃ≒１％を得た。実験値については、上記条件が明らかに満たされた。
【００１４】
我々は、ここに実証されたＱＤが理想から遙かに遠いことを注目しなければならない。高品質の四元波プレート（quarter-wave plate）については、通常はρｌ＞９９％を有する。この欠点は、ＱＤの小サイズ（数十ナノメートルのみ、すなわち操作波長（４６０ｎｍ）よりもずっと小さい）によって補償される。さらに、ドットは半導体回路において容易に集積される。ＱＤ変換器の重要な利点は、以下に述べるように、バイアス電圧を付加することによって制御の可能性があることである。さらに、最適化されたＱＤ寸法については、値ρｌ≒５０％が達成されうることを理論的に示すことができる。
【００１５】
低寸法システムにおける偏光変換は、Ivchenko等によって予言（predicted）された［１２］。ＱＤのエキシトン状態についての優先的な方向の存在では、放射への円形および線形偏光貢献は絡み合わされている。明らかに、外部磁界がこの優先的方向を誘導する。同時に、磁界誘導偏光変換が実験的に最高に実証された［１３］。しかし、優先的方向を定めるように異方性交換相互作用を巻き込むことは、ゼロ磁界においてさえも円形および［１００］線形偏光の絡合いを誘発する。Ivchenko等の予言［１２］は、さらに量子激打実験（quantum beat experiment）において部分的には確認された［１４］。この場合、ラモール周波数Ωにおける優先的方向の周りで（線形変形光によって励起された）線形偏光成分の歳差運動（precession of the linear polarization component）が観察された。擬似数学的表現形式（preudospin formulism）では［１３］、ｔ＝０における円形偏光励起Ｐｃ後の時間進展は、ρｃ（ｔ）＝Ｐｃｃｏｓ（Ωｔ）ｅｘｐ（−ｔ／τｓ）およびρｌ（ｔ）＝Ｐｃｓｉｎ（Ωｔ）ｅｘｐ（−ｔ／τｓ）として表されうる。円形および線形偏光は、このようにして擬似スピン緩和時間τｓと共にゼロに減衰して、逆位相で振動する。ＱＤにおいて、単独のホールのスピン緩和時間は約１０ｎｓであることがわかった［１５］。単独の電子のスピン緩和時間はミリ秒の範囲で長くさえある［１６］。従って、エキシトンのついてのτｓは、τｓ＞＞ｔｒを有する程度に十分に長い。ここで、ｔｒ〜１００ｐｓ［１７］は放射性再結合時間（radiative recombination time）である。定常状態において、すなわち連続波（ｃｗ）励起の下で、偏光の程度は、放射確率［１１］の分布ｔｒ −１ｅｘｐ（−ｔ／ｔｒ）を伴った偏光進展を平均した後に得られ、下記の式（１）を与える。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
ここで、Ｔ−１＝ｔｒ −１＋τｓ −１であり、我々はＴ／ｔｒ≒１（低スピン緩和）であることを仮定する。我々は、ＱＤ集合が不均等であること、すなわち異方性交換分裂がドットからドットへ不規則に動くことに注目する。これは、式（１）における平均値
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を用いることによって考慮に入れられうる。
【００１８】
式（１）は、単純ではあるが、 ＱＤ変換メカニズムにとって必須である。式（１）における第２恒等式は、ゼロ磁界異方性交換分裂によって置き換えられた磁界によって誘導されたジーマン分裂を伴って、ハンル効果に非常に類似している。量子ドットにおいて、異方性交換分裂
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は、超格子におけるよりも大きい規模の程度である。その結果、ｃｗ励起の下で偏光変換が顕著になる。変換因子は、Ｋ＝ρｌ／ρｃ＝〈Ω〉Ｔである。ＱＤにおいて、ΩＴはΩＴ〜１−１００の範囲内に通常はあり、それは、我々がＫ≒３であることを見出したように、本実験データと良好に一致する。ΩＴ＝１について偏光はρｌ＝ρｃ＝５０％に達することが、式（１）から起こる。
【００１９】
最も興味をそそる効果は、反変換、すなわち線形偏光から円形偏光への変換である。それは、時間逆転対称（time reversal）によって起こる。実際に、我々は図２（ｃ）に示すように、この効果を観察した。［０１０］に沿った線形偏光励起のさいに、σ＋偏光放射が現れる。この効果は、励起が［１００］に沿って起こるとき、σ−に符号を変える。励起時の線形偏光が［１１０］に沿ってまたは垂直な方向に向けられたとき、変換は観察されない。この挙動は、理論との良好な質的一致状態にあり、そして、添え字ｌ⇔ｃの相互交換およびΩの符号の逆転によって、式（１）に類似した式に従う。
【００２０】
異方性交換分裂は、単独の特別な電子を含めて、負に荷電されたＱＤにおいて強力に修正される。光子発生電子によって、特別な電子はゼロ合計電子スピンを伴ったエネルギ的に良好な一重状態（singlet state）を形成する。電子ホール交換相互作用が電子およびホールのスピン［１０］に比例するので、荷電されたＱＤにおける異方性交換分裂が正確にゼロ
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に等しくなる［９］。バイアス電圧を付加することによって、追加の電子がＱＤに押し込められるかまたはＱＤから押し出される。これは、ＱＤ変換器に対して特別な汎関数（extra functionality）を与え、また、スピン系素子について柔軟な取組みを与えることもある。光学的選択規則によって［１１］、伝動帯における光子励起電子のスピンが光子円形偏光に比例する。従って、直接操作電子スピンに代えて、同じ回路内で光偏光を二者択一的に制御できる。
【００２１】
このような素子の可能な配置が、図３に与えられる。本質的な部分は、逆符号の異方性交換分裂を伴った二重ＱＤ層である。（このような構造の実際の製造は、さらなる技術的努力を明らかに要求する。）物理的には、これは、ＱＤが正のΩｒ＞０を生じる右の層において［１１０］方向に沿って細長くされ、他方、ＱＤにおいて左の層が垂直な方向に細長くされること（負のΩｌ＜０に対応する）を意味する。一般に、式（１）からわかるように、変換はΩの符号によって決まり、Ω＝０では変換が起こらない。
【００２２】
正のバイアス時には、オーム接点を介して与えられた電子は、左の層におけるＱＤで最も取り込まれ、ゼロ異方性交換分裂Ωｌ＝０となる（図３（ａ）参照）。Ωｒ＞０を伴う右のＱＤ層は［０１０］（我々がＰｌ＝−１によって表示した）に沿って線形偏光光をσ＋円形偏光光（ρｃ＞０）に変換する。負のバイアスが付加されているとき、電子は右のＱＤ層に伝送され、そこで変換を切り（Ωｒ＝０、図３（ｂ）参照）、左のＱＤ層のみが、目下Ωｌ＜０である場合に、光学的に能動である。従って、その変換は符号を変える。このような円形偏光の電気的制御（磁界の不存在）は、電子−光学的変調器としてもちろん既に知られている。しかし、このような素子に用いられた電子光学的結晶は嵩張る。ＱＤ変換器はｎｍ程度の素子であり、それは、スピン電子光学においてＤａｔｔａ−Ｄａｓスピン半導体［１８］として光学的計算において類似の役割を演じることができる。
【００２３】
要約すれば、我々は、量子ドットによって効率的な円形−線形および線形−円形光偏光変換を実証した。その変換は、ゼロ磁界において起こり、異方性交換分裂によって誘導される。このようなＱＤ変換器のバイアスを掛けられた器具は、ｎｍ程度の電子−光学的変調器をもたらす。我々の知見は、情報処理において自明な実用的用途を有する。
【実施例】
【００２４】
我々の実験において使われたＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ ＱＤは、従来の分子線エピタキシ（molecular beam eqitaxy, MBE）によって成長される。ＣｄＳｅの単分子層（０．３ｎｍ）が、５０ｎｍ厚ＺｎＳｅバッファ層の頂上に堆積される［１９］。２５ｎｍＺｎＳｅによって覆う前に１０秒の成長中断が、自己集合によってＣｄＳｅ ＱＤの成形を生じる。通常は、これらのドットは、１ｎｍ高さで、横寸法が１０ｎｍ未満である。原子力マイクロスコープ（ＡＦＭ）を用いてＱＤを映像化するために、覆われていないサンプルも成長された。図１（ａ）に示すこのサンプルのＡＦＭ画像は、明瞭に識別できる形状異方性を伴った個々の島を示す。ドットは、光学的特徴に基づいて、［１１０］方向に沿って優先的に細長くされる。
【００２５】
光学的共振について、我々はＡｒイオン・レーザの紫外線によって注入されたスチルベン−３色素レーザを用いる。この準備において、励起エネルギは変えられることができ、ＣｄＳｅ ＱＤ共振条件に注意深く変えられることができる。この偏光は、励起および放射を特別に分離してフォノンレプリカに検出される。非共振励起について、レーザ・エネルギが、ＺｎＳｅバリアの帯間隙を超えて、２．８３ｅＶまで変えられた。サンプルは回転ホルダに載せられる。その向きは、ステップ・モータを用いて１°よりも正確に制御される。偏光の角度走査は、固定検光子（高品質グラン−トンプソン・プリズム）を用いて実行される。±０．１％の精度までの偏光度を検出するために、我々は周波数ｆ＝５０ｋＨｚで動作する光弾性変調器および２チャネル光子係数器からなる従来の光学設備を用いる。円形偏光ρｃが周波数ｆで検出され、線形偏光ρｌ′、ρｌが二倍の周波数２ｆで検出される。線形偏光ρｌ′およびρｌは、それぞれ
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および
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として定義される。ここで、Ｉｘｙｚは、結晶の［ｘｙｚ］軸に沿って偏光された光の強さである。サンプルが角度αを超えて回転されるとき、両成分はρｌ′ｃｏｓ（２α）−ρｌｓｉｎ（２α）として変化し、振幅については
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である。ノイズ低減については、光学的実験が１．６Ｋの温度で行われた。磁界は加えられなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
上述した偏光変換の方法は、現存する製品を超える顕著な利点を伴って広い仕方の電子素子に用いられてもよい。室温運転の容易性および価格に基づいて、これらの用途のいくつかが相当な高容積用途に向けることができる。用途分類のいくつかの例を次に挙げる。
本科学技術が液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とまったく同様に動作でき、また、任意の現代用途（ディスプレイ、および走査器、シャッタ、センサ、スイッチ等の他の光学的要素において）を複製できるが、より迅速に、従ってその上に新規な用途をつくりだす利点を有する。
本科学技術が、光学的通信ネットワークにおける使用について、非常な高速度スイッチング要素として働く。それは、例えば、スイッチ、減衰器、遮路器、および変調器に用いられることができる。それらは、（既存および新規の）ファイバ・リンクの容量および速度を非常に増加させる。
本科学技術が、論理式が実行されるとき、超高速ブール系理論（抗量子計算として）を可能にするように使用されうる。
本科学技術が、非分散光子に基づいて、映像化、特に医療映像化の適応性を可能および／または増大するように使用されうる。これは、我々が非常な高速／高変化率で偏光を変調でき、従って平面画像（核磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）として）を可能にする光子に関するタイミング情報を創り出す。医療走査器等の適当な設備に実施されるこの用途は、改良性能用低温運転／材料を使用できる。
【参考文献】
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ量子ドットを示す。図１（ａ）はＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ量子ドット層の原子力マイクロスコープ画像を示す。図１（ｂ）は、非共振（破線曲線）および共振（実線曲線）励起用ＰＬスペクトルをそれぞれ示す。
【図２】図２は、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ ＱＤによる偏光変換を示す。図２（ａ）は、非共振σ＋（中空記号）およびσ−（中実記号）円形偏光励起の下でＰＬ最大時に検出された線形偏光の角度走査を示す。図２（ｂ）は、σ＋（中空記号）およびσ−（中実記号）円形偏光励起下でフォノンレプリカに検出された線形偏光の角度走査を示す。２（ｃ）は、線形偏光共振励起下でフォノンレプリカに検出された円形偏光角度の角度走査を示す。
【図３】図３は、電圧制御ＱＤ変換器の概略を示す。図３（ａ）は、正のバイアスにおいて電子が左の層に集められ、その結果、Ωｌ＝０となることを示す。図３（ｂ）は、負のバイアスにおいて処理が逆転され、すなわち、Ωｒ＝０でかつΩｌ＜０となるので、［０１０］−線形偏光光がσ−円形偏光光に変換されることを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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