阪大など、量子ドット中で3個以上の電子のスピンがそろった状態の読出しに成功

大阪大学(阪大)、東京大学(東大)、理化学研究所(理研)の3者は8月20日、量子ドット中の3個以上の多電子について、スピンがそろった状態の読み出しに成功したと共同で発表した。

同成果は、阪大 産業科学研究所の木山治樹助教、同・大岩顕教授、東大 物性研究所の吉見一慶特任研究員、同・加藤岳生准教授、理研 創発物性科学研究センターの樽茶清悟グループディレクターらの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学専門誌「Physical Review Letters」に掲載された。

量子力学に基づいて情報の伝達や計算を行う量子情報処理技術が注目されるようになり、さまざまなハードウェア候補が世界各国で研究されるようになっている。その有力候補の1つが、電子のスピンを利用する「量子ドット」とされている。

• 量子ドットの電子顕微鏡画像 (出所:東大物性研Webサイト)

量子ドットは、電子の持つスピンを情報処理に利用することを可能とする技術で、半導体中ではゲート電圧を用いて電気的に形成することが可能で、現在、スピンの向きの制御や量子ドットの集積化といった基盤技術の開発が世界中で進められている。

電子1個の場合のスピンは上向きと下向きの2種類だが、電子の個数を増やしていけば、それだけスピン状態の数も増えていくこととなり、スピンで表せる情報量の増加や、計算ステップ数の削減など、さまざまなメリットが期待されている。しかし、複数個の電子が作るスピンを量子情報処理に利用するためには、読み出し技術の確立が必要で、これまで電子2個のスピン情報の読み出しまでは達成されていたが、3個以上の多電子の場合に読み出せたのは限定的であったという。

そこで研究チームは今回、スピンがそろったまま多電子を電子2個に変換する方法を着想。そして、変換後の2つのスピン情報から類推することで、多電子の高スピン状態を読み出すことに成功したとする。具体的には、GaAsベースの「二次元電子」上に量子ドットが作製され、量子ホール効果によって量子ドット近傍に形成されるエッジ状態を用いて、上向きスピンを持った電子だけを高精度にドットから取り除く手法を確立。これにより、スピンがそろったまま多電子を電子2個に変換することが可能となったという。

• 高スピン読み出し方法の概要図 (出所:東大物性研Webサイト)

また、この電子2個のスピンを測ることによって、元の多電子の高スピン状態を読み出すことが行われたともする。

• 量子ドット中の高スピン状態読み出しの概念図 (出所:東大物性研Webサイト)

さらに、この読み出し方法を利用し、高スピン状態の時間変動における観測が行われたところ、低スピン状態に比べ、10倍ほど速く変動することが判明。この起源について理論計算が行われた結果、電子相関の影響によるものであることが示唆されたとした。

なお、研究チームによると、今回の研究で開発された読み出し方法はシリコンを含めたさまざまな物質に適用できるため、多電子の高スピンを利用した超高速・大容量の量子情報処理が期待されるとするほか、今回の研究から、高スピン状態が高速に時間変動することも発見されたことから、今後の詳細な研究とともに、電子スピンの基礎的な性質に関する新たな知見を与えることが期待されるとしている。