トポロジー理工学特別講義II (2013/1/25)

半導体ナノ構造の光誘起核スピン分極
北海道大学工学研究院 応用物理学部門
極限量子光学研究室
r-kaji@eng.hokudai.ac.jp (内線 9332)

鍜治 怜奈

レポート課題

下から２点を選択

核スピン分極の双安定性が生じる機構を説明せよ。
核スピン分極の応用について記述せよ。
量子ドット構造の応用について記述せよ。
質問 etc. があれば…
r-kaji@eng.hokudai.ac.jp (内線 9332)
創成科学研究棟
工学部C棟320号室
実験室：ナノテクテクノロジー研究センター
構内循環バス“創成科学研究棟前”で降車半導体量子ドット構造 (Quantum Dot)
: 電子 (正孔，励起子 etc.) を３次元的に閉じ込める構造
 エネルギー準位の離散化 電子‐正孔スピン
 電子‐核スピン交換相互作用の増強=超微細相互作用 (HFI)

photo: NRC Canadaetc...

核スピン分極 (Nuclear Spin Polarization)EB

 核磁気モーメント

NMR測定装置

MRI (核磁気共鳴画像法)

Ga 核のゼーマンエネルギー
As

核種I

69Ga, 71Ga

3/2

74As

3/2

113In, 115In

9/2

27Al

5/2

29Si

1/2

動的核スピン分極E

核スピンのみの場合

B

核のゼーマンエネルギー << 熱エネルギー(~100 neV @ 5 T)(~500 eV @5 K)

熱平衡状態での核スピン分極率 ~ 0
非平衡電子スピンを介することで ~1000倍まで増大可能>

e-spinBN(動的核スピン分極)

核スピンの光ポンピングを実施* 強い電子‐核スピン相互作用が必要

T1 ~ 1 – 1,000 sec.
N~104-105 atoms/QD

量子ドット構造を採用(高い核スピン分極率 <80% が報告済み)

QD-核スピン分極応用の提案例

高NSP状態の実現と制御法の確立が必要

核スピン分極の双安定性

大きな核磁場形成 (~5 T for InAlAs QD) には不可欠
基本的に エネルギー保存則 で説明可能
発光QDの特定・電子/正孔g因子の光学評価 を実現

講義のアウトライン
Part.1 基礎事項の確認
 光学遷移の偏光選択則
 核スピン分極の光ポンピング
 核スピン分極のダイナミクス

Part.2 核スピン分極の観測
 試料構造と測定系
 核スピン分極・双安定性の検出 電子・正孔g因子の光学評価

Part 1. 基礎事項の確認

光学遷移の偏光選択則
励起子：電子‐正孔がクーロン相互作用で結合した準粒子
exciton state

exciton state
伝導帯

+1‐1

価電子帯
(重い正孔)

 励起円偏光(+/‐)

励起子スピン間で角運動量の輸送

 光生成される励起子（電子・正孔）スピン選択が可能

核スピン分極の光ポンピング
光励起電子スピンを介して 核スピン分極を形成
BNPL

円偏光励起Se-n FFSSBz
BN form.
BL ~mT order

超微細相互作用 (e‐n 交換相互作用)

 核磁場 BNは電子にのみ作用
e-spin

同時スピン反転h-spin

RjRj

エネルギーシフト (OHS)

A(Rj)0A(Rj)=0

核スピン分極のダイナミクス
光励起電子スピンを介して 核スピン分極を形成
BNS??

電子-核同時スピン反転 (e-n FF)において…

SE (w/ Bz)
Sz

角運動量: 保存Iz+1/2系の全エネルギー: 非保存
Ee~ eV orderEn~ neV orderEe~En でe-n FF が促進+3/2+1/2-1/2

Ee-3/2-1/2

En核スピン分極のダイナミクス
Bz-BN~0 で電子-核スピン間エネルギー不整合が解消
核スピン分極のダイナミクス

定常状態 を観測(2つの安定解と 1つの不安定解)

外部パラメータに依存
Excitation

PLNuclear Field

e-spinn-spinPolarization

Depolarization

核スピン分極の双安定性
励起光強度変化に着目

high <Iz>

unstable <Iz>low <Iz>

Part.1のまとめ
光励起電子スピンを介して 核スピン分極を形成
PL

円偏光励起Se-n FF

BNSS

Bz
BN form.

 円偏光 (+/-) 励起で 注入する電子スピンを選択可能
 超微細相互作用 (e‐n Flip‐Flop) によって核磁場形成
 エネルギー不整合 (Ee/En ~1,000) を核磁場で解消

Part 2. 核スピン分極の観測

単一QD 磁気発光測定系
CCD

In0.75Al0.25As / Al0.3Ga0.7As SK-QD
Monitoring mesa position

Triple Grating
Spectrograph(f=0.64 m)
LN2‐cooled
Si‐CCDAOMDMEOMWhite Light

Ti:S (cw)

Pump・Probe
Pulse Control

単一量子ドットの発光スペクトル
InAlAs/AlGaAs QD, 0 T, 5 K

 準位の離散化を反映した鋭い発光ライン(線幅~50-100 eV)

 単一QDに着目しても 複数の発光ラインを検出

X0X+

XX0X-

励起子と励起子複合体

核磁場双安定性の観測
励起光強度依存性

+ pump- pumpE-PL=752 nm

E+E (eV)
CCD 積算時間：1 sec.

Zeeman splitting (eV)

PL Intensity (arb. units)

WL Pump (=730 nm), @ 5 K, 5 T

EOHS~100 eVE-- pumpEL+ pumpE+

Excitation power (arb. units)
EL: BN=0, 強度依存性なし

偏光依存の分裂エネルギー変化

E+: BN・Bz>0, 強度に対して単調変化

約30%の高偏極率を実現

E-: BN・Bz<0, 強度に対して急峻な変化

核磁場双安定性の物理
核スピン分極のダイナミクス

定常状態 を観測(2つの安定解と 1つの不安定解)

外部パラメータに依存核磁場の形成と検出
核磁場を使った電子/正孔g因子評価
通常の光学測定では 励起子のゼーマン分裂 を観測
E

PL Intensity (arb. units)

WL Pump (=730 nm), @ 5 K, 5 T

+ pump- pumpE-

Bz+BN=0

PL=752 nm

e+E+

hB

E (eV)核磁場を使った電子/正孔g因子評価
EZ (eV)

0-20-40-60-80

DCP

640

Ee (eV)- pump, 6 K

For target QD

600
560OHS

520

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
4.0

4.2

4.44.64.8

5.0

External magnetic field (T)Kaji et al., APL 91, 261904 (07)

電子/正孔g因子の符号の判別
InAlAs/AlGaAs QD

InAs/GaAs QR

Nuclear field affects electron only.

EEEEeeeehhhhPart. 2のまとめ
 半導体量子ドットでの電子-核スピン相互作用に着目
 動的核スピン分極の光学検出 外部パラメータに対する双安定性
高核偏極率 (~30%) の実現
発光QDの特定電子/正孔g因子の光学評価

 BNによる電子スピン緩和 電子-核スピン結合系のダイナミクス

参考文献
化合物半導体の光物性に関して…

“Optical Orientation” Modern Problems in Condensed Matter Science
edited by F. Meier and B. Zakharchenya (North-Holland, NewYork, 1984).

“Spin Physics in semiconductor”
edited by M. Dyakonov (Springer Series in Solid-State Sciences , 2008).
半導体QDの核スピン分極 (双安定性)に関して…
R. Kaji et al. Phys. Rev. B 77, 115345 (2008), Appl. Phys. Lett. 91, 261904 (2007)2006年以降の…

 Voisin group(CNRS, France) Skolnick group (Sheffield Univ., UK) Imamoglu group(EHT Zurich, Switz)