強磁場中二次元電子系の電子輸送特性において、原子核スピンの動的な偏極に起因する新しい現象・物理が注目を集めている。電子スピン−核スピン相互作用が量子ホール系の輸送特性に現れるという事実はそれ自体が面白い物理であると同時に、電子系を利用して核スピン偏極を制御することによる核スピンデバイスへの応用が考えられる。

 一方、量子状態のコヒーレント制御は、量子ビットを始めとした将来の量子情報技術を開拓する上で急速にその重要性が高まっている。核スピンは位相緩和時間が極めて長いため応用上理想的な系である。

     我々は、量子ホール端状態を利用することにより半導体素子中核スピンの局所的かつコヒーレントな制御を実現した。量子ホール端状態における電子スピン-核スピン間超微細相互作用を利用して素子中の局所領域において核スピンを初期化し、核スピン量子状態を素子上に作製した微小コイルによる核磁気共鳴で制御し、パルス操作後の量子状態を端状態における電子輸送特性により検出する。核スピン量子状態のコヒーレントな時間発展に相当するラビ振動を明瞭に観測し、固体素子中の核スピンをコヒーレントに制御可能であることを示した。拡張性のある半導体素子を使用して量子状態を制御しているため素子設計の自由度が高く、今後の幅広い応用可能性を拓くと考えられる。



量子ホール素子。量子ホール端状態における電子スピン-核スピン相互作用を利用して端状態近傍の核スピンを偏極・検出する。素子上に作製した局所コイルを利用して核スピンを制御する。







抵抗検出型核磁気共鳴による核スピンラビ振動の観測。パルス幅の調整により、上向きスピン状態と下向きスピン状態の重ね合わせ状態が制御可能であることを示す。


関連論文・解説

  Spin polarization of fractional quanutm Hall edge channels studied by dynamic nuclear polarization  
T. Machida, S. Ishizuka, T. Yamazaki, S. Komiyama, K. Muraki, and Y. Hirayama  Phys. Rev. B 65, 233304 (2002).

  Coherent control of nuclear-spin system in a quantum-Hall device  T. Machida, T. Yamazaki, K. Ikushima, and
   S. Komiyama  Appl. Phys. Lett. 82, 409 (2003).

    量子ホール系端状態を用いた半導体核スピン制御   町田友樹、山崎智幸、生嶋健司、小宮山進  
  
固体物理 Vol. 38,「固体中の量子コヒーレンス制御」特集号 p. 791 (2003).




半導体核スピンの電気的コヒーレント制御