JP2014027074A - Nuclear spin state control method, detection method, control device, and detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体中の核スピン状態の空間的な制御方法、および検出方法に関するものである。 The present invention relates to a spatial control method and a detection method of nuclear spin states in a solid.
従来から、特許文献１や非特許文献１にあるように、エネルギー準位が同一で異なるスピン状態が混在する量子ホール状態で、電流印加によって核スピン状態を制御し、この核スピン状態を抵抗測定により検出できることが示されてきた。 Conventionally, as disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in a quantum Hall state in which different spin states are mixed with the same energy level, the nuclear spin state is controlled by applying a current, and the resistance of the nuclear spin state is measured. Has been shown to be detectable.
特許文献１、非特許文献１に開示された従来の手法は、核スピンを偏極させるために電流を印加しているが、空間分解能を有していないため、所望の位置にある核スピン状態のみを制御することが困難であるという課題があった。 The conventional methods disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 apply a current to polarize nuclear spins, but do not have spatial resolution, so that the nuclear spin state at a desired position There was a problem that it was difficult to control only.
また、従来の手法は、核スピン状態を検出するために抵抗測定を行っているが、空間分解能を有していないため、所望の位置にある核スピン状態のみを検出することが困難であるという課題があった。 In addition, the conventional method performs resistance measurement to detect the nuclear spin state. However, since it does not have spatial resolution, it is difficult to detect only the nuclear spin state at a desired position. There was a problem.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することを目的とする。
また、本発明は、固体中の任意の位置で核スピン状態を検出することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to control the nuclear spin state at an arbitrary position in a solid.
Another object of the present invention is to detect a nuclear spin state at an arbitrary position in a solid.
本発明の核スピン状態の制御方法は、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御ステップと、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御ステップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態の制御方法の１構成例において、前記第２の制御ステップは、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とするものである。
The nuclear spin state control method of the present invention includes a first control step for controlling a two-dimensional electron so as to be a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed, and an electron spin and a nuclear spin. And a second control step for controlling the interaction by light irradiation.
Also, in one configuration example of the nuclear spin state control method of the present invention, the second control step irradiates a part of a region where two-dimensional electrons exist to locally increase the flip-flop process. Thus, only the nuclear spin state in a desired region is selectively controlled.
また、本発明の核スピン状態の検出方法は、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御ステップと、前記二次元電子の発光を分光する検出ステップとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態の検出方法の１構成例において、前記検出ステップは、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とするものである。
The nuclear spin state detection method of the present invention includes a control step for controlling a two-dimensional electron to be a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed, and the emission of the two-dimensional electron. And a detection step for performing spectroscopic analysis.
Further, in one configuration example of the method for detecting a nuclear spin state according to the present invention, the detection step divides light emitted from a part of a region where two-dimensional electrons exist, so that only a nuclear spin state in a desired region is obtained. Is selectively detected.
また、本発明の核スピン状態制御装置は、サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する第１の制御手段と、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態制御装置の１構成例において、前記第２の制御手段は、光源と、この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する光学系と、前記サンプルと前記光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とするものである。
Further, the nuclear spin state control device of the present invention controls the electron density of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer formed on the sample, and the intensity of the magnetic field applied in the layer thickness direction of the two-dimensional electron layer. A first control means that performs at least one of the controls and controls the two-dimensional electrons in the two-dimensional electron layer so as to be in a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed; A second control means for controlling the interaction between the spin and the nuclear spin by light irradiation is provided.
Moreover, in one configuration example of the nuclear spin state control device of the present invention, the second control unit irradiates a part of a region where the two-dimensional electrons in the sample exist with a light source and light from the light source. An optical system and a driving means capable of controlling the relative position of the sample and the optical system are provided, and a part of the region where two-dimensional electrons exist is irradiated with light to locally increase the flip-flop process. Thus, only the nuclear spin state in a desired region is selectively controlled.
また、本発明の核スピン状態検出装置は、サンプルに形成された二次元電子層中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および前記二次元電子層の層厚方向に印加する磁場の強度の制御のうち少なくとも一方を行って、前記二次元電子層中の二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する制御手段と、前記二次元電子の発光を分光する検出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の核スピン状態検出装置の１構成例において、前記検出手段は、光源と、この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する第１の光学系と、前記サンプルからの発光を導く第２の光学系と、この第２の光学系によって導かれた光を分光する分光器と、前記サンプルと前記第１、第２の光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とするものである。
Further, the nuclear spin state detection device of the present invention controls the electron density of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer formed in the sample and the intensity of the magnetic field applied in the layer thickness direction of the two-dimensional electron layer. Control means for performing at least one of the control and controlling the two-dimensional electrons in the two-dimensional electron layer so as to be in a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed, and the two-dimensional electrons And a detecting means for spectrally separating the emitted light.
Further, in one configuration example of the nuclear spin state detection device of the present invention, the detection means irradiates a light source and a part of a region where two-dimensional electrons in the sample exist with the light from the light source. An optical system; a second optical system that guides light emitted from the sample; a spectroscope that splits light guided by the second optical system; and the sample and the first and second optical systems. Drive means capable of controlling the relative position, and selectively detecting only the nuclear spin state in a desired region by dispersing light emitted from a part of the region where two-dimensional electrons exist. To do.
本発明によれば、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御し、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御することにより、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することができる。 According to the present invention, two-dimensional electrons are controlled to be quantum Hall states in which different spin states having the same energy level are mixed, and the interaction between electron spins and nuclear spins is controlled by light irradiation. Thus, the nuclear spin state can be controlled at an arbitrary position in the solid.
また、本発明では、二次元電子を、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御し、二次元電子の発光を分光することにより、固体中の任意の位置で核スピン状態を検出することができる。 In the present invention, the two-dimensional electron is controlled to be a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed, and the emission of the two-dimensional electron is dispersed, thereby allowing an arbitrary position in the solid. The nuclear spin state can be detected.
［発明の原理］
本発明の核スピン状態の制御方法は、量子ホール状態にある二次元電子において、電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御するようにしたものである。量子ホール状態は、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態である。
[Principle of the Invention]
The nuclear spin state control method of the present invention controls the interaction between an electron spin and a nuclear spin in a two-dimensional electron in a quantum Hall state by light irradiation. The quantum Hall state is a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed.
例えば、ランダウ準位占有率が２／３であるとき、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のダウンスピンを有する電子のエネルギー準位と、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンを有する電子のエネルギー準位とが一致する状態、すなわち、エネルギー準位が同一で異なるスピン状態が混在する量子ホール状態がある。この際、電子スピンのエネルギーと核スピンのエネルギーがほぼ等しいため、電子スピンと核スピンが相互作用し、フリップ・フロップ過程により核スピンは一定方向に偏極する。光照射によって、局所的にこのフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の位置にある核スピン状態のみを選択的に制御することができる。 For example, when the Landau level occupancy is 2/3, the energy level of an electron having a down spin of the composite fermion-Landau level quantum number n = 0, and the composite fermion-Landau level quantum number n = There is a state in which the energy level of an electron having one up spin matches, that is, a quantum Hall state in which different energy states are mixed and different spin states are mixed. At this time, since the electron spin energy and the nuclear spin energy are substantially equal, the electron spin and the nuclear spin interact, and the nuclear spin is polarized in a certain direction by the flip-flop process. By locally increasing the flip-flop process by light irradiation, only the nuclear spin state at a desired position can be selectively controlled.
また、本発明の核スピン状態の検出方法は、電子スピンと核スピンの相互作用を反映する、量子ホール状態にある二次元電子の発光を分光することによって核スピン状態を検出するようにしたものである。 In addition, the nuclear spin state detection method of the present invention detects the nuclear spin state by spectroscopically analyzing the emission of two-dimensional electrons in a quantum Hall state that reflects the interaction between the electron spin and the nuclear spin. It is.
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る核スピン状態制御装置の光学系部分の構成を示す図である。核スピン状態制御装置は、シングルモードファイバ６を出射した光を固体のサンプル１上に結像させる２枚のレンズ２，５と、マルチモードファイバ１０を出射した光をサンプル１上に結像させる２枚のレンズ２，９とを備えている。これらのレンズのうちサンプル１に近いレンズ２は、シングルモードファイバ６に係る光学系とマルチモードファイバ１０に係る光学系で共通のものになっている。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system portion of the nuclear spin state control apparatus according to the first embodiment of the present invention. The nuclear spin state control device images two lenses 2 and 5 that image light emitted from the single mode fiber 6 onto the solid sample 1 and the light emitted from the multimode fiber 10 onto the sample 1. Two lenses 2 and 9 are provided. Among these lenses, the lens 2 close to the sample 1 is common to the optical system related to the single mode fiber 6 and the optical system related to the multimode fiber 10.
シングルモードファイバ６とサンプル１との間には、左円偏光または右円偏光のいずれか一方のみを透過させる円偏光フィルター４が設置される。マルチモードファイバ１０とサンプル１との間には、直線偏光のみを透過させる直線偏光子８が設置される。シングルモードファイバ６を出射した光のうち左円偏光または右円偏光のいずれか一方の光が円偏光フィルター４を透過し、ビームスプリッター３に入射する。また、マルチモードファイバ１０を出射した光のうち直線偏光のみが直線偏光子８を透過し、ミラー７によって反射された後にビームスプリッター３に入射する。こうして、マルチモードファイバ１０を出射した光とシングルモードファイバ６を出射した光は、ビームスプリッタ３によって同一の光学ラインに導かれる。レンズ２は、ビームスプリッター３からの光をサンプル１上に集光する。 Between the single mode fiber 6 and the sample 1, a circularly polarizing filter 4 that transmits only one of left circularly polarized light and right circularly polarized light is installed. A linear polarizer 8 that transmits only linearly polarized light is installed between the multimode fiber 10 and the sample 1. Of the light emitted from the single mode fiber 6, either the left circularly polarized light or the right circularly polarized light passes through the circular polarization filter 4 and enters the beam splitter 3. In addition, only linearly polarized light out of the light emitted from the multimode fiber 10 passes through the linear polarizer 8 and is reflected by the mirror 7 and then enters the beam splitter 3. Thus, the light emitted from the multimode fiber 10 and the light emitted from the single mode fiber 6 are guided to the same optical line by the beam splitter 3. The lens 2 condenses the light from the beam splitter 3 on the sample 1.
サンプル１と光学系部分（２〜１０）とは、その相対位置を制御できるように、図示しないピエゾステージなどの駆動手段によって駆動される。このとき、ピエゾステージは、サンプル１と光学系部分（２〜１０）の両方を移動させてもよいし、どちらか一方のみを移動させてもよい。 The sample 1 and the optical system parts (2 to 10) are driven by a driving means such as a piezo stage (not shown) so that the relative position can be controlled. At this time, the piezo stage may move both the sample 1 and the optical system part (2 to 10), or only one of them.
図２は本実施の形態に係る核スピン状態制御装置のサンプル部分の構成を示す図である。サンプル１は、高濃度にドーパントをドープした低抵抗のＧａＡｓ層からなるゲート電極１１と、ゲート電極１１の上に積層された高抵抗のＧａＡｓ層からなるバリア層１２と、バリア層１２の上に積層された、１枚あるいは２枚のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合によって形成される二次元電子層１３と、二次元電子層１３の上に積層された高抵抗のＧａＡｓ層からなるバリア層１４と、バリア層１４の上に積層された金属層からなるゲート電極１５とからなる。なお、図２の二次元電子層１３中に示した点線は、二次元電子ガスを模式的に示すものである。サンプル１の積層構造は、周知の分子線エピタキシー法で形成することができる。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a sample portion of the nuclear spin state control apparatus according to the present embodiment. The sample 1 includes a gate electrode 11 made of a low-resistance GaAs layer doped with a dopant at a high concentration, a barrier layer 12 made of a high-resistance GaAs layer stacked on the gate electrode 11, and a barrier layer 12. A laminated two-dimensional electron layer 13 formed by one or two AlGaAs / GaAs heterojunctions, a barrier layer 14 made of a high-resistance GaAs layer laminated on the two-dimensional electron layer 13, and a barrier The gate electrode 15 is formed of a metal layer stacked on the layer 14. In addition, the dotted line shown in the two-dimensional electron layer 13 in FIG. 2 schematically shows the two-dimensional electron gas. The laminated structure of Sample 1 can be formed by a known molecular beam epitaxy method.
さらに、サンプル１の部分には、ゲート電極１１と二次元電子層１３との間に電圧を印加する電源１６と、ゲート電極１５と二次元電子層１３との間に電圧を印加する電源１７と、磁場Ｂを二次元電子層１３の層厚方向に印加する、磁場強度を可変できる磁場発生装置１８とが設けられている。電源１６，１７と磁場発生装置１８とは、第１の制御手段を構成している。 Further, the sample 1 includes a power source 16 that applies a voltage between the gate electrode 11 and the two-dimensional electron layer 13, and a power source 17 that applies a voltage between the gate electrode 15 and the two-dimensional electron layer 13. A magnetic field generator 18 that applies a magnetic field B in the layer thickness direction of the two-dimensional electronic layer 13 and that can vary the magnetic field strength is provided. The power supplies 16 and 17 and the magnetic field generator 18 constitute a first control means.
以上の構成で、本実施の形態における核スピン状態の制御法に関して説明する。二次元電子層１３中のヘテロ接合界面には、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのバンドギャップエネルギーの違いに基づいたポテンシャル障壁が形成される。このポテンシャル障壁には、電源１６，１７によってバイアス電圧が印加される。バイアス電圧の方向が順方向電圧であれば、二次元電子層１３中に伝導電子が注入される。電源１６，１７のバイアス電圧の方向および大きさを独立に制御することにより、二次元電子層１３中へ注入される伝導電子の密度を制御することができる。 A method for controlling the nuclear spin state in the present embodiment with the above configuration will be described. A potential barrier based on the difference in band gap energy between GaAs and AlGaAs is formed at the heterojunction interface in the two-dimensional electron layer 13. A bias voltage is applied to the potential barrier by the power supplies 16 and 17. If the direction of the bias voltage is a forward voltage, conduction electrons are injected into the two-dimensional electron layer 13. By independently controlling the direction and magnitude of the bias voltage of the power supplies 16 and 17, the density of conduction electrons injected into the two-dimensional electron layer 13 can be controlled.
核スピン状態を制御するには、電源１６，１７の電圧制御による二次元電子層１３中の二次元電子ガスの電子密度の制御、および磁場発生装置１８から二次元電子層１３の層厚方向に印加する磁場Ｂの強度の制御のうち少なくとも一方を行って、二次元電子層１３中の二次元電子ガスを、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する。 In order to control the nuclear spin state, the electron density of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer 13 is controlled by voltage control of the power supplies 16 and 17, and from the magnetic field generator 18 to the layer thickness direction of the two-dimensional electron layer 13. At least one of the control of the intensity of the magnetic field B to be applied is performed to control the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer 13 so as to be in a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed. .
エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態は、例えば、ランダウ準位充填率νが２／３において実現される。この充填率においてエネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する状態では、分数量子ホール効果のため０となっていた縦抵抗が有限の値を持つため、核スピン偏極に必要な電子密度、磁場強度をあらかじめ知ることができる。 A quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed is realized, for example, when the Landau level filling factor ν is 2/3. In a state in which different spin states having the same energy level are mixed in this filling rate, the longitudinal resistance that was 0 due to the fractional quantum Hall effect has a finite value, so that the electron density necessary for nuclear spin polarization, The magnetic field strength can be known in advance.
図３は二次元電子ガスの複合フェルミオン・ランダウ準位のエネルギーと磁場（電子密度）との関係を模式的に示す図である。図３の横軸は磁束密度Ｂを表し、縦軸は、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のアップスピンとダウンスピンのエネルギー準位と、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンのエネルギー準位を示している。図３の点線で示すように、複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝０のダウンスピンのエネルギー準位と複合フェルミオン・ランダウ準位量子数ｎ＝１のアップスピンのエネルギー準位とが交差する磁場強度が存在する。この磁場強度においては、アップスピンとダウンスピンの電子が同じエネルギー準位を有して混在する。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the energy of the composite fermion-Landau level of the two-dimensional electron gas and the magnetic field (electron density). The horizontal axis of FIG. 3 represents the magnetic flux density B, and the vertical axis represents the upspin and downspin energy levels of the composite fermion-Landau level quantum number n = 0, and the composite fermion-Landau level quantum number n. = 1 shows the energy level of upspin. As shown by the dotted line in FIG. 3, the energy level of the down-spin with the composite fermion-Landau level quantum number n = 0 and the energy level of the up-spin with the composite fermion-Landau level quantum number n = 1 are obtained. There are crossed magnetic field strengths. At this magnetic field strength, up-spin and down-spin electrons have the same energy level and are mixed.
このようにエネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態において、図示しないレーザー光源からシングルモードファイバ６にレーザー光を導光し、このレーザー光をレンズ５、円偏光フィルター４、ビームスプリッター３およびレンズ２を介してサンプル１に照射することでサンプル１を励起する。サンプル１を励起することによって、励起した部分において電子スピンと核スピン間の超微細相互作用を増加させることができ、結果として核スピンを偏極させることができる。 In such a quantum Hall state where different spin states having the same energy level are mixed, laser light is guided from a laser light source (not shown) to the single mode fiber 6, and this laser light is guided to the lens 5, the circular polarization filter 4, the beam. The sample 1 is excited by irradiating the sample 1 through the splitter 3 and the lens 2. By exciting the sample 1, the hyperfine interaction between the electron spin and the nuclear spin can be increased in the excited portion, and as a result, the nuclear spin can be polarized.
図４（Ａ）、図４（Ｂ）はサンプル上の核スピン偏極が生じる領域を示す図であり、サンプル１を例えば上から見たときに核スピン偏極している領域と核スピン偏極していない領域とを色分けで示した図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の白い部分が核スピン偏極している領域である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の横軸はサンプル１の面内方向のうち横方向（例えば図２左右方向）の座標を示し、縦軸はサンプル１の面内方向のうち縦方向（例えば図２の紙面に垂直な方向）の座標を示している。 4A and 4B are diagrams showing regions where nuclear spin polarization occurs on the sample. For example, when the sample 1 is viewed from above, the region where the nuclear spin is polarized and the nuclear spin polarization are shown. It is the figure which showed the area | region which is not poled with color coding. The white portions in FIGS. 4A and 4B are regions where nuclear spin polarization is performed. 4A and 4B, the horizontal axis indicates the coordinates in the horizontal direction (for example, the horizontal direction in FIG. 2) of the in-plane direction of the sample 1, and the vertical axis indicates the vertical direction in the in-plane direction of the sample 1. The coordinates of (for example, a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2) are shown.
図４（Ａ）はサンプル１と光学系部分（２〜１０）のうち少なくとも一方をピエゾステージなどによって駆動し、サンプル１上の集光位置を横方向に移動させることにより、サンプル１を横方向へ走査した場合を示し、図４（Ｂ）はサンプル１上の集光位置を縦方向に移動させることにより、サンプル１を縦方向へ走査した場合を示している。
以上のように、本実施の形態によれば、固体中の任意の位置で核スピン状態を制御することができる。
In FIG. 4A, at least one of the sample 1 and the optical system part (2 to 10) is driven by a piezo stage or the like, and the focusing position on the sample 1 is moved in the horizontal direction, thereby moving the sample 1 in the horizontal direction. FIG. 4B shows a case where the sample 1 is scanned in the vertical direction by moving the condensing position on the sample 1 in the vertical direction.
As described above, according to the present embodiment, the nuclear spin state can be controlled at an arbitrary position in the solid.
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係る核スピン状態検出装置の光学系部分の構成を示す図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。図５における１９は分光器である。マルチモードファイバ１０とレンズ９と直線偏光子８とミラー７とビームスプリッター３とレンズ２とは、第１の光学系を構成し、シングルモードファイバ６とレンズ５と円偏光フィルター４とビームスプリッター３とレンズ２とは、第２の光学系を構成している。サンプル部分の構成は図２に示したとおりである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the optical system portion of the nuclear spin state detection device according to the second embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Reference numeral 19 in FIG. 5 denotes a spectroscope. The multimode fiber 10, the lens 9, the linear polarizer 8, the mirror 7, the beam splitter 3, and the lens 2 constitute a first optical system, and the single mode fiber 6, the lens 5, the circular polarization filter 4, and the beam splitter 3. And the lens 2 constitute a second optical system. The configuration of the sample portion is as shown in FIG.
本実施の形態においても、二次元電子層１３中の二次元電子ガスを、エネルギー準位が同一の異なるスピン状態が混在する量子ホール状態となるように制御する方法は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
この量子ホール状態において、図示しないレーザー光源からマルチモードファイバ１０にレーザー光を導光し、このレーザー光をレンズ９、直線偏光子８、ミラー７、ビームスプリッター３およびレンズ２を介してサンプル１に照射することでサンプル１を励起する。
Also in the present embodiment, the method for controlling the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer 13 to be a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed is described in the first embodiment. As explained in.
In this quantum Hall state, laser light is guided from a laser light source (not shown) to the multimode fiber 10, and this laser light is transmitted to the sample 1 through the lens 9, the linear polarizer 8, the mirror 7, the beam splitter 3 and the lens 2. The sample 1 is excited by irradiation.
そして、サンプル１からの発光は、レンズ２、ビームスプリッター３および円偏光フィルター４を介してレンズ５に入射する。レンズ５は、入射した光をシングルモードファイバ６の端面に集光する。こうして、サンプル１からの発光がシングルモードファイバ６内を伝搬し、分光器１９に入射する。 Light emitted from the sample 1 enters the lens 5 via the lens 2, the beam splitter 3, and the circularly polarizing filter 4. The lens 5 condenses the incident light on the end face of the single mode fiber 6. Thus, light emitted from the sample 1 propagates through the single mode fiber 6 and enters the spectroscope 19.
図６は分光器１９によって得られる、二次元電子の発光スペクトルを示す図である。図６の横軸は光のエネルギーを示し、縦軸は光の強度を示している。図６の６０は核スピン偏極ありの場合を示し、６１は核スピン偏極なしの場合を示している。このように、核スピン偏極の有無によって、発光スペクトルに変化が生じるので、核スピン状態を検出することができる。 FIG. 6 is a diagram showing an emission spectrum of two-dimensional electrons obtained by the spectroscope 19. The horizontal axis in FIG. 6 indicates light energy, and the vertical axis indicates light intensity. 60 in FIG. 6 shows the case with nuclear spin polarization, and 61 shows the case without nuclear spin polarization. In this way, since the emission spectrum changes depending on the presence or absence of nuclear spin polarization, the nuclear spin state can be detected.
本発明は、核スピンを媒体とする核スピンメモリーの書き込み、読み出し技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a writing / reading technique of a nuclear spin memory using a nuclear spin as a medium.
１…サンプル、２，５，９…レンズ、３…ビームスプリッタ、４…円偏光フィルター、６…シングルモードファイバ、７…ミラー、８…直線偏光子、１０…マルチモードファイバ、１１，１５…ゲート電極、１２，１４…バリア層、１３…二次元電子層、１６，１７…電源、１８…磁場発生装置、１９…分光器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample, 2, 5, 9 ... Lens, 3 ... Beam splitter, 4 ... Circular polarizing filter, 6 ... Single mode fiber, 7 ... Mirror, 8 ... Linear polarizer, 10 ... Multimode fiber, 11, 15 ... Gate Electrode, 12, 14 ... barrier layer, 13 ... two-dimensional electron layer, 16, 17 ... power source, 18 ... magnetic field generator, 19 ... spectroscope.
Claims (8)
電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御ステップとを備えることを特徴とする核スピン状態の制御方法。 A first control step of controlling the two-dimensional electron so as to be a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed;
A nuclear spin state control method comprising: a second control step of controlling the interaction between electron spin and nuclear spin by light irradiation.
前記第２の制御ステップは、二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とする核スピン状態の制御方法。 The method of controlling a nuclear spin state according to claim 1,
The second control step selectively irradiates only a nuclear spin state in a desired region by irradiating a part of a region where two-dimensional electrons exist and locally increasing a flip-flop process. A method of controlling a nuclear spin state characterized by controlling.
前記二次元電子の発光を分光する検出ステップとを備えることを特徴とする核スピン状態の検出方法。 A control step for controlling the two-dimensional electron so that it becomes a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed;
And a detection step of spectrally analyzing the emission of the two-dimensional electrons.
前記検出ステップは、二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とする核スピン状態の検出方法。 In the nuclear spin state detection method according to claim 3,
The detection step includes selectively detecting only a nuclear spin state in a desired region by spectroscopically analyzing light emitted from a part of the region where two-dimensional electrons exist. .
電子スピンと核スピンとの相互作用を、光照射により制御する第２の制御手段とを備えることを特徴とする核スピン状態制御装置。 Performing at least one of the control of the electron density of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer formed in the sample and the control of the strength of the magnetic field applied in the layer thickness direction of the two-dimensional electron layer, First control means for controlling two-dimensional electrons in the electron layer so as to be in a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed;
A nuclear spin state control apparatus comprising: a second control unit that controls the interaction between electron spin and nuclear spin by light irradiation.
前記第２の制御手段は、
光源と、
この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する光学系と、
前記サンプルと前記光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、
二次元電子が存在する領域の一部に光を照射し、局所的にフリップ・フロップ過程を増加させることで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に制御することを特徴とする核スピン状態制御装置。 In the nuclear spin state control device according to claim 5,
The second control means includes
A light source;
An optical system for irradiating a part of a region where two-dimensional electrons in the sample exist with light from the light source;
Drive means capable of controlling the relative position of the sample and the optical system;
A nucleus characterized by selectively controlling only the nuclear spin state in a desired region by irradiating a part of the region where two-dimensional electrons exist and locally increasing the flip-flop process. Spin state controller.
前記二次元電子の発光を分光する検出手段とを備えることを特徴とする核スピン状態検出装置。 Performing at least one of the control of the electron density of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron layer formed in the sample and the control of the strength of the magnetic field applied in the layer thickness direction of the two-dimensional electron layer, Control means for controlling the two-dimensional electrons in the electron layer so as to be in a quantum Hall state in which different spin states having the same energy level are mixed;
A nuclear spin state detection apparatus, comprising: a detection unit that splits light emission of the two-dimensional electrons.
前記検出手段は、
光源と、
この光源からの光を前記サンプル中の二次元電子が存在する領域の一部に照射する第１の光学系と、
前記サンプルからの発光を導く第２の光学系と、
この第２の光学系によって導かれた光を分光する分光器と、
前記サンプルと前記第１、第２の光学系との相対位置を制御可能な駆動手段とを備え、
二次元電子が存在する領域の一部からの発光を分光することで、所望の領域にある核スピン状態のみを選択的に検出することを特徴とする核スピン状態検出装置。 The nuclear spin state detection device according to claim 7,
The detection means includes
A light source;
A first optical system that irradiates a part of a region where two-dimensional electrons in the sample exist with light from the light source;
A second optical system for guiding light emission from the sample;
A spectroscope that splits the light guided by the second optical system;
Drive means capable of controlling the relative position between the sample and the first and second optical systems;
A nuclear spin state detection apparatus that selectively detects only a nuclear spin state in a desired region by dispersing light emitted from a part of a region where two-dimensional electrons exist.
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- 2012-07-26 JP JP2012165393A patent/JP2014027074A/en active Pending
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