(57)【要約】【課題】スピン歳差運動を局所的に制御できるようにする。【解決手段】第１障壁層１０１，量子井戸層１０２，第２障壁層１０３が積層された量子井戸構造１０４と、励起光照射部１０５と、磁場印加部１０７とを備える。励起光照射部１０５は、円偏光した励起光を量子井戸層１０２の制御領域１０６に選択的に照射する。また、励起光照射部１０５は、照射する円偏光の光強度を制御可能とされている。また、磁場印加部１０７は、量子井戸層１０２の平面方向への磁場を、量子井戸層１０２の制御領域１０６に印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる量子井戸層を備える量子井戸構造と、
円偏光した励起光を前記量子井戸層の制御領域に選択的に照射する励起光照射手段と、
前記量子井戸層の平面方向への磁場を前記量子井戸層の制御領域に印加する磁場印加手段と
を備えることを特徴とする電子スピン制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の電子スピン制御装置において、
前記量子井戸構造は、
主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１障壁層と、
前記第１障壁層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる前記量子井戸層と、
前記量子井戸層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２障壁層と
を備えることを特徴とする電子スピン制御装置。
【請求項３】
半導体からなる量子井戸層を備える量子井戸構造の制御領域に、選択的に円偏光した励起光を照射して、制御領域に選択的に電子スピンを生成する励起光照射ステップと、
前記量子井戸層の平面方向への磁場を前記量子井戸層の制御領域に印加して、前記制御領域に生成した前記電子スピンを歳差運動させる磁場印加ステップと、
前記励起光の強度を制御することで前記電子スピンの歳差運動を制御する制御ステップと
を備えることを特徴とする電子スピン制御方法。
【請求項４】
請求項３記載の電子スピン制御方法において、
前記量子井戸構造は、
主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１障壁層と、
前記第１障壁層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる前記量子井戸層と、
前記量子井戸層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２障壁層と
から構成することを特徴とする電子スピン制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピン歳差運動を制御する電子スピン制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体においてスピンの向きやスピンの歳差運動周波数を制御することは、スピン自由度を利用した量子情報やスピンの向きで情報を記憶するスピントロニクスデバイスにおいて必要な基盤要素となる。半導体において電子スピンを生成する技術としては、円偏光励起による電子スピン生成が一般的である。この生成技術により半導体内部に電子スピンを生成することができる。この電子スピンの向きは、外部磁場を印加することで制御することが可能であり、外部磁場の強さに依存してスピン歳差運動周波数ωが変化する（非特許文献１参照）。このωは、以下の式（１）により表される。
【０００３】
【数１】
2015225870.tif 000003
【０００４】
式（１）からからわかるように、ωは、材料固有値であるｇ因子と外部磁場Ｂexのみで決定される。従って、これまで、スピン歳差運動周波数を制御するためには、外部磁場を変調するか、ｇ因子を変調するようにしていた。
【０００５】
しかし、ｇ因子は材料固有値となるため大きな変調が困難であり、また外部磁場を変化させてスピン歳差運動周波数を制御する場合には、素子全体に影響が出るため、外部磁場を変化させることなく局所的にスピン歳差運動周波数を変調する方法が要求されていた。
【０００６】
さらに、電子スピンを用いて演算を行うためには、外部磁場下で電子スピンのコヒーレント制御を行い、この状態を制御した後においても保持する必要がある。しかしながら、外部磁場による制御下では、電子スピンは時間発展をするため、制御した情報を長時間保持することは困難となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K. Morita et al. , "Strong anisotropic spin dynamics in narrow n - InGaAs AlGaAs (110) quantum wells", Applied Physics Letters, vol.87, 171905, 2005.
【非特許文献２】A. P. Heberle et al. , "Quantum Beats of Electron Larmor Precession in GaAs Wells", Physical Review Letters, vol.72, no.24, pp.3887-3890,1994.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上に説明したように、従来では、スピン歳差運動周波数を制御するためには、式（１）の外部磁場Ｂexを制御することで周波数を変化させてきた。また、外部磁場生成にはコイルによる誘導磁界が用いられているため、磁場を印加するとデバイス全体に磁場変調を与える状態となっていた。このため、従来では、局所的にスピン歳差周波数を変調することは困難であるという問題があった。
【０００９】
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、スピン歳差運動を局所的に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】
【００１０】
本発明に係る電子スピン制御装置は、半導体からなる量子井戸層を備える量子井戸構造と、円偏光した励起光を量子井戸層の制御領域に選択的に照射する励起光照射手段と、量子井戸層の平面方向への磁場を量子井戸層の制御領域に印加する磁場印加手段とを備える。
【００１１】
上記電子スピン制御装置において、量子井戸構造は、主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１障壁層と、第１障壁層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸層と、量子井戸層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２障壁層とを備える。
【００１２】
また、本発明に係る電子スピン制御方法は、半導体からなる量子井戸層を備える量子井戸構造の制御領域に、選択的に円偏光した励起光を照射して、制御領域に選択的に電子スピンを生成する励起光照射ステップと、量子井戸層の平面方向への磁場を量子井戸層の制御領域に印加して、制御領域に生成した電子スピンを歳差運動させる磁場印加ステップと、励起光の強度を制御することで電子スピンの歳差運動を制御する制御ステップとを備える。
【００１３】
上記電子スピン制御方法において、量子井戸構造は、主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１障壁層と、第１障壁層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸層と、量子井戸層の上に形成されて主表面を（１１０）面としたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２障壁層とから構成すればよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことにより、本発明によれば、スピン歳差運動を局所的に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】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における電子スピン制御装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における電子スピン制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、量子井戸構造を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態における量子井戸構造において、外部磁場Ｂ＝０．７Ｔを印加した状態で、励起光強度を変調した時の、電子スピン歳差運動の時間発展の状態を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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電子スピン制御装置の構成を示す構成図である。この電子スピン制御装置は、第１障壁層１０１，量子井戸層１０２，第２障壁層１０３が積層された量子井戸構造１０４と、励起光照射部１０５と、磁場印加部１０７とを備える。
【００１７】
励起光照射部１０５は、円偏光した励起光を量子井戸層１０２の制御領域１０６に選択的に照射する。また、励起光照射部１０５は、照射する円偏光の光強度を制御可能とされている。また、磁場印加部１０７は、量子井戸層１０２の平面方向への磁場を、量子井戸層１０２の制御領域１０６に印加する。
【００１８】
次に、本発明の実施の形態における電子スピン制御方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１で、量子井戸層１０２の制御領域１０６に、励起光照射部１０５により選択的に円偏光した励起光を照射し、制御領域１０６に選択的に電子スピンを生成する（励起光照射）。次に、ステップＳ２０２で、磁場印加部１０７により、量子井戸層１０２の平面方向への磁場を量子井戸層１０２の制御領域１０６に印する（磁場印加）。これにより、制御領域１０６に生成した電子スピンを歳差運動させる。この後、ステップＳ２０３で、励起光照射部１０５による励起光の強度を制御することで、電子スピンの歳差運動を制御する。
【００１９】
以下、より詳細に説明する。以下では、図３に示す量子井戸構造を例に説明する。図３に示す量子井戸構造は、主表面を（１１０）としたＧａＡｓ基板３０１と、ＧａＡｓ基板３０１の上にエピタキシャル成長したＧａＡｓバッファ層３０２と、ＧａＡｓバッファ層３０２の上にエピタキシャル成長したＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第１障壁層３０３と、第１障壁層３０３の上にエピタキシャル成長したＧａＡｓからなる量子井戸層３０４と、量子井戸層３０４の上にエピタキシャル成長したＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第２障壁層３０５と、第２障壁層３０５の上に形成したＧａＡｓ層からなるキャップ層３０６とを備える。
【００２０】
ＧａＡｓバッファ層３０２は、層厚２００ｎｍに形成され、第１障壁層３０３は、層厚５００ｎｍに形成され、量子井戸層３０４は層厚１０ｎｍに形成され、第２障壁層３０５は層厚４２０ｎｍに形成され、キャップ層３０６は、層厚５ｎｍに形成されている。
【００２１】
また、第１障壁層３０３の量子井戸層３０４界面から積層方向１００ｎｍ程度には、Ｓｉがδドープされ、第２障壁層３０５の量子井戸層３０４界面から積層方向２０ｎｍ程度には、Ｓｉがδドープされている。また、量子井戸層３０４には、５×１０11ｃｍ-2程度に、ｎ型不純物が導入されている。
【００２２】
上述したように、（１１０）結晶方向に成長した量子井戸構造では、各層の積層方向（量子化軸方向）τppのスピン緩和時間と、各層の平面方向のスピン緩和時間τprが異なる値を示す（非特許文献２参照）。この場合、スピン歳差運動周波数ω’は、以下の式（２）で表される。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
（１１０）量子井戸構造の場合τpp＞＞τprであることが知られており（２）式右辺の第２項が有限の値を持つ。２種類のスピン緩和時間（τppとτpr）は、円偏光励起により電子スピン生成を行う際に、円偏光励起強度を変化させることでスピン緩和時間を変調することが可能となる。このことは、式（２）右辺の第２項が変調できることを意味し、外部磁場が一定であっても、光励起した局所的な空間のスピン歳差運動周波数のみを変調することが可能となる。
【００２５】
また、式（２）右辺第１項のラーモア歳差運動周波数ωと、第２項のスピン歳差運動レートの値が等しくなると、電子スピンの歳差運動が停止できる。これは、外部磁場下でも電子スピン状態を長時間保持できることを意味しており、光励起した領域のみの電子スピン情報を長時間保持することが可能となる。
【００２６】
図３に示す（１１０）面に成長したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体による量子井戸構造において、各層平面に垂直な方向より円偏光を照射することで、量子井戸層３０４内に電子スピンを光励起することができる。このように光励起している状態で、各層の平面方向に均一外部磁場を印加する。この外部磁場により、歳差運動周波数ωで電子スピンは回転する。この状態で、円偏光の励起光強度を変化させると、円偏光照射部分に生成された電子スピンの歳差運動周波数を変調させることができる。
【００２７】
図４に、外部磁場Ｂ＝０．７Ｔを印加した状態で、励起光強度を変調した時の、電子スピン歳差運動の時間発展の状態を示す。図４中に示す「５ｍＷ」，「１０ｍｗ」，「２０ｍｗ」，「４０ｍｗ」，「６０ｍｗ」は、励起光強度を示す。図４に示すように、励起光強度を増大させるに従い、一定の外部磁場にも関わらず、スピン歳差運動周波数が変調されていることが分かる。
【００２８】
上述した発明によれば、照射する光のスポット径（数ミクロン）領域（制御領域）の電子スピンのみの歳差運動周波数を変調することができ、これ以外の領域の電子スピンに影響を及ぼさない。この結果、均一磁場中において電子スピンの回転制御が可能となる。このように、本発明によれば、スピン歳差運動を局所的に制御できるようになる。
【００２９】
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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１…第１障壁層、１０２…量子井戸層、１０３…第２障壁層、１０４…量子井戸構造、１０５…励起光照射部、１０６…制御領域、１０７…磁場印加部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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