研究スタッフ
教授：

大野英男、准教授：

大野裕三

准教授：

松倉文礼、助大谷啓太

研究員：

松坂俊一郎、Mohsen Ghali

教：

研究目的
本研究室では高機能・低消費電力スピンメモリデバイスや量子コンピュータなどの量子情報処理を目指して、固体中の電荷とスピンの両方の自由度を用いたスピントロニクスの研究を行なっています。また、半導体量子構造中に形成されるサブバンドを用いた中赤外～テラヘルツ領域の長波長半導体レーザに関する研究を行っています。

スピン電荷

半導体量子構造

スピン機能
スピン機能デバイス
機能デバイス
高速・大容量・低消費電力メモリ

スピン量子情報処理
スピン量子情報処理
量子演算、量子通信

コヒーレント光源
コヒーレント光源・光源・THz半導体光源
THz半導体光源

主な研究テーマ
通信、環境計測、医療

強磁性半導体の強磁性半導体の創製

1. 強磁性半導体

Molecular-Beam Epitaxy
UHV chamber

強磁性半導体は既存の半導体を構成する原子の一部を磁性元素で置き換えた物質です。磁性元素はスピンを持つだけでなく正孔を供給します。強磁性半導体の強磁性状態は正孔の濃度に依存するため正孔の濃度を変化させることで、磁性の性質を変えることができます。
本研究室では強磁性半導体を用いて、これまでに磁性の電界制御や電気的手法による磁化反転、及び電流誘起磁壁移動など新しいスピン機能デバイスに必要不可欠な基盤技術を世界に先駆けて実現しています。
磁性の磁性の電界制御

Substrate
manipulator

Substrate
holderSubstrate

RHEED gunscreenshuttereffusioncell
LN2 shroud

M (T)

0.04

x = 0.035
T=5K

0.00

-0.04-0.5

H // planeH ⊥ planeH ⊥ plane(from transport)

0.0

Appl. Phys. Lett. 69, 363 (1996);
Science 281, 951 (1998).

0.5µ0H (T)

電流誘起磁壁移動
MOKE image

Positive electric field

Negative electric field

Gate electrodeinsulator

hole

Anisotropy field (T)

Mnイオン
イオン

0.16µ0HB(a) 2 K

0.120.08

13psheet = 6x10 cm

0.00

M Angle ϕ-2

Initial configuration[100] axis0º

H=0-4-202
Electric field (MV/cm)

4

Nature 408, 944 (2000); Science 301, 943 (2003)
Appl. Phys. Lett. 89, 162505 (2006); Nature 455, 515 (2009).

大野・大野・松倉研究室

current pulse
width(b)-5º-10º12~5x10 cmµ0Hu-0.04
5º-2

Nature 428, 539 (2004);
Phys. Rev. Lett. 96, 096601 (2006);
Science 317, 1726 (2007).

www.ohno.riec.tohoku.ac.jp

2. 半導体量子構造におけるスピンダイナミクス
量子コンピュータなどにスピンを応用するためにはスピンを揃え、そのダイナミクスを理解し制御する必要があります。本研究室では電子スピンの光学的な性質を利用して、間接的に局所領域の核スピンの振る舞いを調べる実験を行っています。例えば、円偏光のレーザ光によって生成された電子スピンは、相互作用によって量子井戸内の核スピンを偏極させることができます。
本研究室では、このような偏極状態に置かれた核スピンを光学的、磁気的に制御し、それを観測することに成功しました。

ゲート電界
ゲート電界による電界による電子による電子・電子・核スピン間相互作用
スピン間相互作用の間相互作用の制御と核スピンコヒーレンスのスピンコヒーレンスの観測(a)ωIII|11〉

Y(π/YωII Y(π)2)
ωI

(b)

I

0.3|3/2〉 ↔ |1/2〉

0.0|1/2〉 ↔ |-1/2〉

-0.3

0.0

III|-1/2〉 ↔ |-3/2〉

5.25

5.30

II|00〉+|01〉

0QST

21 QST

α=00|00〉+|11〉

-30.0

0.5
1.0
1.5
2.0
rf pulse width (ms)|00〉|00〉pps-2-0.5|01〉

QST|00〉+|01〉

s-1

5.35

rf frequency (MHz)|00〉+|11〉|00〉 pptr(∆ρρ Iz) (arb. unit)

II

0.6

Faraday rotation ∆θF (arb. unit)

θF(∆t) (arb. unit)

Faraday rotation ∆θF (arb. unit)

IY

310.5|10〉

YY X(π)|00〉 pp|00〉+|01〉( c)sHyperfine interaction

YXY

2.5

ωI

ωII

ωIII-1 |00〉+|11〉

5.25

5.30

5.35-50

Frequency ωrf/2π (MHz)α = 0.5
α = -1050∆ωrf/2π (kHz)Phys. Rev. Lett. 101, 207601 (2008).

Phys. Rev. Lett. 94, 097601 (2005);
Phys. Rev. Lett. 96, 067602 (2006).

非磁性半導体への非磁性半導体へのスピンへのスピン注入
スピン注入
EVEsaki

B

VLED

E

100 µm(Ga,Mn)AsC

B
n-(Al,Ga)As
p-GaAs QW

Top-view of thedevice geometry

Nature 402, 790 (1999);
Jpn. J. Appl. Phys. 40, L1274 (2001);
Appl. Phys. Lett. 89, 012103 (2006).

Polarization (%)

C

VLED= 1.05V30

1.15 V
1.25 V
1.30 V
1.35 V
1.40 V20

また、強磁性半導体と非磁性半導体を組み合わせたスピンダイオードを作製し、スピンの揃った電子を非磁性半導体へ流すことに成功しました。

1000.0-0.5-1.0

Esaki tunnel junction voltage VEsaki (V)

3. 量子カスケードレーザ
量子カスケードレーザは、発光に量子井戸内の準位間エネルギを利用するため、中赤外より長波長の光を出すことが可能です。この波長領域には多くの化学物質の分子振動に起因する吸収があるため、有害ガスなどを検出する小型光源として応用が期待されています。本研
究室ではInAs/AlSbという独自の材料を用いて、これまでに波長3.8～14ミクロンでの発振に成功しています。また、GaAs/AlGaAsを用いたTHz量子カスケードレーザの発振にも成功しています。
コヒーレント長波長半導体光源
コヒーレント長波長半導体光源：
長波長半導体光源：量子カスケードレーザ
量子カスケードレーザ*透過電子顕微鏡像

0.080.06

0.04

Emission intensity (arb. unit)

ナノメートルサイズ

GaAs/AlGaAs QCLInAs/AlSb QCL

Output intensity (arb. unit)

量子井戸を量子井戸を組合わせて組合わせてナノメートルサイズのナノメートルサイズの電子ポテンシャル
電子ポテンシャルのポテンシャルの階段を階段をデザイン

大野・大野・松倉研究室

18.5 K500

39.5 K
400
300
200

50.5 K

10001012141618202261.5 K
72 K

Emission energy (meV)

0.02

82.5 K
92.8 K
103.1 K500 Hz, 200 nsec
0.000.0

Appl. Phys. Lett. 82, 1003 (2003);
Appl. Phys. Lett. 87, 212223 (2005);
Appl. Phys. Lett. 90, 261112 (2007).

4K

3.82 THz, 78.5 µm

600

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

2

Current density (kA/cm )Appl. Phys. Exp. 2, 022102 (2009).

www.ohno.riec.tohoku.ac.jp