(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性半導体多重量子井戸構造と、第２の磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井戸構造とを具え、この非磁性半導体量子井戸構造は、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造と隣接するようにして挟まれ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造に磁場を印加することによってスピン分裂させ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造において、ダウンスピンの状態にあるキャリアのみを透過させ、前記第２の磁性半導体多重量子井戸において、アップスピンの状態にあるキャリアのみを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ。
【請求項２】
前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造を透過した前記ダウンスピン状態にあるキャリア量と、前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造を透過した前記アップスピン状態にあるキャリア量とは、前記非磁性半導体量子井戸構造を励起し、これによって前記スピンフィルタ内に流れる電荷量を計測することによって、定量することを特徴とする、請求項１に記載のスピンフィルタ。
【請求項３】
前記非磁性半導体量子井戸構造は、同一又は異なるバンドに属するサブバンドのサブバンド間エネルギーに相当するサブバンド間光によって励起し、前記スピンフィルタ内に流れる電荷量を計測することにより、前記ダウンスピン状態にあるキャリア量と、前記アップスピン状態にあるキャリア量とを定量することを特徴とする、請求項２に記載のスピンフィルタ。
【請求項４】
前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくとも一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項５】
前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくとも一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項６】
前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくとも一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項７】
前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造の少なくとも一方は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項８】
磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井戸構造とが隣接されて配置され、前記磁性半導体多重量子井戸構造に磁場を印加してスピン分裂を生じさせ、前記磁性半導体多重量子井戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状態にあるキャリアのみを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ。
【請求項９】
前記非磁性半導体量子井戸構造の、前記磁性半導体多重量子井戸構造と反対の側に隣接するようにして半導体障壁層を具え、前記磁性半導体多重量子井戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状態にあるキャリアをそれぞれ透過させるようにしたことを特徴とする、請求項８に記載のスピンフィルタ。
【請求項１０】
前記磁性半導体多重量子井戸構造を透過した前記アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状態にあるキャリア量は、前記非磁性半導体量子井戸構造を励起し、これによって前記スピンフィルタ内に流れる電荷量を計測することによって、定量することを特徴とする、請求項８又は９に記載のスピンフィルタ。
【請求項１１】
前記非磁性半導体量子井戸構造は、外部光によって励起し、前記スピンフィルタ内に流れる電荷量を計測することにより、前記アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状態にあるキャリア量を定量することを特徴とする、請求項１０に記載のスピンフィルタ。
【請求項１２】
前記磁性半導体多重量子井戸構造は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてなることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項１３】
前記磁性半導体多重量子井戸構造は、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項１４】
前記磁性半導体多重量子井戸構造は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とが積層されてなることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項１５】
前記磁性半導体多重量子井戸構造は、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなり、前記非磁性半導体量子井戸構造は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とが交互に周期的に積層されてなることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載のスピンフィルタ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一に記載のスピンフィルタを具える高周波発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子通信や量子情報処理などにおいて好適に用いることのできる、スピンフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の究極技術として、電子スピンを用いた量子通信や量子演算などが着目されている。このような技術においては、情報の読み出しを行なう際に、ユニタリ変換を行なって、前記量子通信などに用いるキャリアスピンの方向を測定することが要求される。キャリアスピンの方向を高感度に判別する方法としては、現在、時間分解ファラデー回転法などの技術が開発され、実用に供されているが、大規模なレーザ装置を必要とする点において簡便性に欠ける。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、量子通信や量子演算などの技術において、キャリアスピンの方向を簡易に判別する素子を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、第１の磁性半導体多重量子井戸構造と、第２の磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井戸構造とを具え、この非磁性半導体量子井戸構造は、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造と隣接するようにして挟まれ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造に磁場を印加することによってスピン分裂させ、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造において、ダウンスピンの状態にあるキャリアのみを透過させ、前記第２の磁性半導体多重量子井戸において、アップスピンの状態にあるキャリアのみを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ（第１のスピンフィルタ）に関する。
【０００５】
また、本発明は、磁性半導体多重量子井戸構造と、非磁性半導体量子井戸構造とが隣接されて配置され、前記磁性半導体多重量子井戸構造に磁場を印加してスピン分裂を生じさせ、前記磁性半導体多重量子井戸構造において、アップスピン及びダウンスピンの少なくとも一方の状態にあるキャリアのみを透過させるようにしたことを特徴とする、スピンフィルタ（第２のスピンフィルタ）に関する。
【０００６】
本発明者らは、キャリアスピンの方向を簡易に判別する素子として、上述したような、磁性半導体多重量子井戸構造と非磁性半導体多重量子井戸構造とからなるスピンフィルタを開発した。
【０００７】
前記磁性半導体多重量子井戸構造は、例えば、II−VI族化合物半導体、特にはＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とを交互に周期的に積層して構成することができる。このとき、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層との厚さを適宜に調節することにより、特定のエネルギー領域にあるキャリアについて、そのダウンスピン状態にあるもの、又はアップスピン状態にあるものだけが透過するようになる。
【０００８】
図１は、磁性半導体多重量子井戸構造を構成する、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さを変化させた場合における、キャリアの透過率スペクトルのシュミレーション結果を示す図である。シュミレーションは、温度４Ｋにおいて、磁性半導体多重量子井戸構造に対して５Ｔの磁場を印加した場合を想定した。また、積層周期数は１０周期とした。
【０００９】
図１から明らかなように、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さが共に５ｎｍの場合においては、図１（ａ）に示すように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、アップスピンの状態のものだけが透過し、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、ダウンスピンの状態のものだけが透過する。
【００１０】
また、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さが共に７．５ｎｍの場合においては、図１（ｂ）に示すように、約１０ｍｅＶ前後の領域にあるキャリアは、アップスピンのものだけが透過し、約１０〜２０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、ダウンスピンのものだけが透過する。さらに、ＺｎＳｅ層及びＺｎＭｎＳｅ層の厚さが共に１０ｎｍの場合においては、約１０ｍｅＶ前後のエネルギー領域にあるキャリアにおいて、ダウンスピンの状態にあるものだけが透過するようになる。
【００１１】
したがって、本発明に従った上記第１のスピンフィルタにおいて、例えば、第１の磁性半導体多重量子井戸構造を厚さ７．５ｎｍより若干薄いＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成し、第２の磁性半導体多重量子井戸構造を厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成することにより、図１（ａ）及び（ｂ）から分かるように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、前記第１の磁性半導体多重量子井戸構造においてはダウンスピンの状態にあるものだけが透過し、前記第２の磁性半導体多重量子井戸構造においてはアップスピンの状態にあるものだけが透過する。
【００１２】
この結果、本発明の第１のスピンフィルタにおいては、同じエネルギー領域にあるキャリアのダウンスピン状態にあるもの、及びアップスピン状態にあるものを同時にフィルタリングすることができる。
【００１３】
但し、第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を同様の積層構造から構成することにより、異なるエネルギー領域にあるキャリアのダウンスピン状態にあるもの、又はアップスピン状態にあるものを透過させ、フィルタリングすることができる。
【００１４】
例えば、第１の磁性半導体多重量子井戸構造及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造を、それぞれ厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層して構成することにより、図１（ａ）から分かるように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、そのアップスピン状態にあるものだけが透過され、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアは、そのダウンスピン状態にあるものだけが透過されるようになる。
【００１５】
一方、このようにキャリアのダウンスピン状態及びアップスピン状態を、各エネルギー領域毎に、いずれか一方のみを透過させフィルタリングするような場合においては、上述のように２組の磁性半導体多重量子井戸構造を設けることなく、単独の磁性半導体多重量子井戸構造を設けるのみで実現することができる。
【００１６】
例えば、厚さ５ｎｍのＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とが交互に積層されてなる磁性半導体多重量子井戸構造を単独で設けることにより、図１（ａ）から分かるように、約２０〜３０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアについては、そのアップスピン状態にあるものだけが透過され、約３０〜４０ｍｅＶのエネルギー領域にあるキャリアについては、そのダウンスピン状態にあるものだけが透過されるようになる。本発明の第２のスピンキャリアは、このような観点の下になされたものである。
【００１７】
上述したように、本発明の第１及び２のスピンフィルタは、いずれの場合においてもキャリアのスピン状態に応じて、前記キャリアを選択的に透過させ、フィルタリングすることができる。したがって、次世代の量子通信や量子演算などにおける素子として好適に用いることができる。
【００１８】
また、本発明における「キャリア」は、半導体量子井戸構造内における固体内電子又は正孔を意味し、外部からの光照射又は電場印加などによって、誘起されるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の第１のスピンフィルタの一例を示す構成図である。図２に示すスピンフィルタ１０は、ＧａＡｓなどからなる半導体基板１上において、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２、非磁性半導体量子井戸構造３、及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造４が順次に積層されている。
【００２０】
今、所定の磁場を印加されて、第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４においてスピン分裂が生じ、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２がダウンスピン状態のキャリアを透過し、第２の磁性半導体多重量子井戸構造３がアップスピン状態のキャリアを透過するとする。このとき、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２内には、透過されたダウンスピン状態のキャリアのそれぞれに応じて一定方向、例えば図中矢印Ａで示すような向きに電荷の移動が生じる。一方、第２の磁性半導体多重量子井戸構造４内には、透過されたアップスピン状態のキャリアのそれぞれに応じて前記ダウンスピン状態のキャリアとは逆向きの、例えば、図中矢印Ｂで示すような向きに電荷の移動が生じる。
【００２１】
したがって、矢印Ａで示される電荷量及び矢印Ｂで示される電荷量を計測することによって、ダウンスピン状態のキャリア量及びアップスピン状態にあるキャリア量を定量することができる。
【００２２】
しかしながら、スピンフィルタ１０は、それ自体を１つの素子として独立させて用いる。さらに、実際に用いる場合においては、外部からの励起媒体に依存して、生成されるキャリアのスピン状態などが変化するため、前記励起媒体に応じてスピンフィルタ１０がどのように応答するのかが問題になる。
【００２３】
したがって、通常は、矢印Ａ及びＢで示される電荷量の合計を計測して、その応答性を監視することになる。すなわち、キャリアのダウンスピン状態及びアップスピン状態のそれぞれが単独で問題となるのではなく、スピンフィルタ１０が、フィルタリングできるエネルギー領域に励起されたキャリアの全体に対してどのように応答するのかが問題となる。
【００２４】
この場合においては、非磁性体半導体量子井戸構造３を所定の準位に励起し、内部に所定のキャリアを生成させ、スピンフィルタ１０全体を導通状態とすることによって、スピンフィルタ１０全体に流れる電荷量、例えば、図中矢印Ｃで示す電荷量を計測する。
【００２５】
特に、非磁性半導体量子井戸構造３に対して、同一又は異なるバンドに属するサブバンドのサブバンド間エネルギーに相当するサブバンド間光を照射し、非磁性半導体量子井戸構造３を所定のサブバンドにまで励起し、このときに移動する電荷量を計測することが好ましい。前記サブバンド間光は、キャリアのスピン状態を変化させることがないため、前記電荷量は、第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造で透過されフィルタリングされたキャリアのスピン状態を忠実に再現したものとなる。
【００２６】
第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４、並びに非磁性半導体量子井戸構造３は、例えば、所定のII−VI族化合物半導体から構成することができる。例えば、第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成し、非磁性半導体量子井戸構造３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができる。また、非磁性半導体量子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができる。
【００２７】
また、第１及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造２及び４を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とを交互に周期的に積層させて構成し、非磁性半導体量子井戸構造３を、非磁性半導体量子井戸構造３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができる。また、前述したように、非磁性半導体量子井戸構造３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２のスピンフィルタの一例を示す構成図である。図３に示すスピンフィルタ２０においては、ＧａＡｓなどからなる半導体基板１１上に、磁性半導体多重量子井戸構造１２、非磁性半導体量子井戸構造１３、及び半導体障壁層１５が順次形成されている。そして、この場合においては、所定の磁場が印加されて磁性半導体多重量子井戸構造１２内にスピン分裂が生じると、上述したように、キャリアのエネルギー領域に応じてダウンスピン状態又はアップスピン状態のキャリアが透過されフィルタリングされる。
【００２９】
ダウンスピン状態のキャリアがフィルタリングされた際には、これらのキャリアに応じて、例えば図中矢印Ｐで示すような電荷の移動が生じる。そして、アップスピン状態のキャリアがフィルタリングされた際には、これらのキャリアに応じて、同様に図中矢印Ｐで示すような電荷の移動が生じる。したがって、これらの電荷量を計測することによって、透過されフィルタリングされたダウンスピン状態のキャリア又はアップスピン状態のキャリアを定量することができる。
【００３０】
定量の際には、上述したように非磁性半導体量子井戸構造１３を励起して所定のキャリアを生成させ、スピンフィルタ２０全体に流れる電荷量を計測する。好ましくは、前述したように、非磁性半導体量子井戸構造１３に対して、所定の光を照射し、非磁性半導体量子井戸構造１３を所定の準位に励起し、このときに流れる電荷量を計測する。この電荷量はフィルタリングされたキャリア量を忠実に再現したものとなるので、フィルタリングされたキャリア量を正確に定量することができる。
【００３１】
なお、図３における半導体障壁層１５は、キャリアの閉じ込めをより効果的に行なうためのものであり、磁性半導体多重量子井戸構造１２及び非磁性半導体量子井戸構造１３と比較して、大きなバンドギャップを有する。しかしながら、このような半導体障壁層は必ずしも要求されるものではなく、半導体障壁層を有しなくとも十分に機能し得る、本発明に従った第２のスピンフィルタを提供することができる。また、半導体障壁層の機能を半導体基板１１に付与することもできる。
【００３２】
磁性半導体多重量子井戸構造１２、及び非磁性半導体量子井戸構造１３は、上記同様に、所定のII−VI族化合物半導体から構成することができる。例えば、磁性半導体多重量子井戸構造１２を、ＺｎＳｅ層とＺｎＭｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成し、非磁性半導体量子井戸構造１３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができる。また、非磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができる。
【００３３】
また、磁性半導体多重量子井戸構造１２を、ＺｎＳｅ層とＺｎＣｄＭｎＳｅ層とを交互に周期的に積層させて構成し、非磁性半導体量子井戸構造１３を、単層のＺｎＣｄＳｅ層と単層のＺｎＳｅ層とを積層して構成することができる。また、前述したように、非磁性半導体量子井戸構造１３は、ＺｎＣｄＳｅ層とＺｎＳｅ層とを周期的に交互に積層して構成することができる。
【００３４】
さらに、半導体障壁層１５は、ＢｅＴｅ、ＺｎＳＳｅ、及びＺｎＭｇＳｅなどから構成することができる。
【００３５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３６】
例えば、本発明の第２のスピンフィルタにおいて、半導体障壁層を設ける代わりに、この半導体障壁層を構成する材料を非磁性半導体量子井戸構造に組み込み、例えば、ＺｎＣｄＳｅ層とＢｅＴｅ層との超格子構造とすることにより、非磁性半導体量子井戸構造自体に半導体障壁層の機能を組み込むことができる。
【００３７】
また、本発明のスピンフィルタを用いることによって高周波発生器を作製することができる。例えば、図２に示すような構成のスピンフィルタにおいて、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２及び第２の磁性半導体多重量子井戸構造４に所定の磁場が印加されてスピン分裂した状態で、非磁性半導体量子井戸構造３のバンド間に相当するエネルギーを有する円偏光を照射すると、非磁性半導体量子井戸構造３内には、歳差運動する電子スピンが生成される。このとき、前述したようにサブバンド間光を照射し、非磁性半導体量子井戸構造３を所定のサブバンドにまで励起し、このときに流れる電荷量を計測する。
【００３８】
電荷の流れる方向は、スピンの方向に応じて変化するため、スピンの歳差運動の周波数で変化するようになる。一方、歳差運動の周波数は印加する磁場の大きさに比例して線形的に変化する。したがって、この電荷量を所定のアンテナとカップリングすることによって、広帯域で周波数可変な高周波発生器を得ることができる。
【００３９】
なお、上記においては、複数のキャリアを用い、これら複数のキャリアを１つのグループとして、このグループを総合的に観察した際のスピン方向を判別し、測定するようにしたが、単一のキャリアを用い、このキャリアのスピン方向を判別し、測定することもできる。
【００４０】
さらに、上記においては、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２などをII−VI族化合物半導体から構成する場合について説明してきたが、第１の磁性半導体多重量子井戸構造２などは、III−Ｖ族化合物強磁性半導体から構成することもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、量子通信や量子演算などの技術において、キャリアスピンの方向を簡易に判別する素子としての、スピンフィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のスピンフィルタにおける、キャリアの透過率スペクトルのシュミレーション結果を示す図である。
【図２】  本発明の第１のスピンフィルタの一例を示す構成図である。
【図３】  本発明の第２のスピンフィルタの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１、１１  半導体基板
２  第１の磁性半導体多重量子井戸構造
３、１３  非磁性半導体量子井戸構造
４  第２の磁性半導体多重量子井戸構造
１０  第１のスピンフィルタ
１２  磁性半導体多重量子井戸構造
１５  半導体障壁層
２０  第２のスピンフィルタ
【図１】
0003834616.tif 000002
【図２】
0003834616.tif 000003
【図３】
0003834616.tif 000004