JP5569945B2 - 核スピン偏極検出装置および核スピン偏極検出方法 - Google Patents

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Description

本発明は核スピン偏極検出装置および核スピン偏極検出方法に関する。
静止している微視的粒子の内部自由度の１つにスピン角運動量がある。多くの原子の原子核もこのスピン角運動量を有する。原子核のスピン角運動量は、５０ｍＫ未満の極低温にならない限り、熱平衡下では、通常あらゆる方向に等確率で向いている無偏極の状態にある。
多くの原子核は、一定の大きさの核スピンを持つので、核スピンの偏極ができれば、ダイナミクスについてより詳細な情報を得ることができる。
このため、例えば、核物理等の分野で核スピンの偏極度（核スピンの揃い方の度合い）を上げることが望まれる。
また、非破壊かつ高精度な分析手法として幅広い分野で活用されている核磁気共鳴（ＮＭＲ）は他の分析方法に較べて感度が低いため、その高感度化が望まれている。
このＮＭＲの信号強度は、核スピンの偏極度に依存しているので、核スピンの偏極度を上げることが望まれる。
さらには、核スピンの応用としてスピンＦＥＴ（Field Effect Transistor）や量子コンピュータが提案されており、核スピンを制御することが重要となってきている。
核スピンの制御方法としては、いわゆる量子ホール効果を利用したものがある。
例えば非特許文献１には、ＧａＡｓ系二次元量子井戸の二次元面に垂直に磁場を加え、その際に生じる分数量子ホール効果の特性や整数量子ホール効果の特性から核スピン偏極を検出する方法が開示されている（非特許文献１）。
また、他の核スピンの制御方法としては、円偏光を用いたものがある。
例えば、非特許文献２および非特許文献３には、ＧａＡｓ二次元系の核スピン制御に円偏光を用いた技術が開示されている（非特許文献２、非特許文献３）。
Y. Hirayama, G. Yusa, K. Hashimoto, N. Kumada, T. Ota, and K. Muraki, "Electron-spin / nuclear-spin interactions and NMR in semiconductors", Semicond. Sci. Technol. 24, 023001 (2009) [Topical Review]. D. D. Awschalom, D. Loss, and N. Samarth, Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, chapter 5 (Berlin: Springer, 2002). H. Sanada, Y. Kondo, S. Matsuzaka, K. Morita, C. Y. Hu, Y. Ohno, and H. Ohno, "Optical Pump-Probe Measurements of Local Nuclear Spin Coherence in Semiconductor Quantum Wells", Phys. Rev. Lett. 96, 067602 (2006).
非特許文献１記載の技術は、整数量子ホール効果のブレークダウンを用いて核スピン偏極を検出する方法と、充填率２／３など分数量子ホール効果領域での量子ホール強磁性によるドメイン構造を用いて、核スピン偏極を検出する方法に大別される。
しかしながら、整数量子ホール効果のブレークダウンを用いた核スピン偏極検出方法は、実効的なｇ因子の小さいＧａＡｓ系の二次元量子構造には有効であるが、ｇ因子の大きなＩｎＳｂなどの二次元量子構造には適用できないという問題があった。
一方、分数量子ホール効果領域を利用した核スピン偏極検出方法も、分数量子ホール効果が高移動度のＧａＡｓ系二次元系でしか観測されないため、ＩｎＳｂなどの通常の移動度を示す二次元量子構造には応用できないという問題があった。
また、非特許文献２、非特許文献３記載の技術も、光を用いないと核スピンを偏極検出できないという問題があった。さらに、ＩｎＳｂはＧａＡｓ等と比較してバンドギャップが狭く、円偏光を用いた制御には波長数μｍという遠赤外光が必要であるため、光源、偏光素子などすべてが通常の波長帯に比して適用が困難である。さらに、円偏光を用いた核スピン制御は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓと材料によって異なる光源が必要になるため、装置が複雑化し、コスト面でも不利である。そのため、円偏光を用いた核スピン制御を、ＩｎＳｂなどの二次元量子構造に適用できたという報告はない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ｇ因子が大きく、移動度も普通の値を有する、ＩｎＳｂなどの多くの狭ギャップ半導体二次元量子構造に適用可能な全電気的な核スピン偏極装置を提供することにある。
本発明の第１の態様によれば、二次元量子構造を磁場中で傾斜させてランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させる交差部と、前記二次元量子構造の核スピンを偏極させる偏極部と、を有し、前記交差部がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分の核スピンの偏極を検出することを特徴とする核スピン偏極検出装置が得られる。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に記載の核スピン偏極検出装置を有することを特徴とする核磁気共鳴装置が得られる。
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に記載の核磁気共鳴装置を有することを特徴とする量子コンピュータが得られる。
本発明の第４の態様によれば、二次元量子構造を磁場中で傾斜させてランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させる（ａ）と、前記二次元量子構造の核スピンを偏極させる（ｃ）と、前記（ａ）が交差させた部分の核スピンの偏極を検出する（ｄ）と、を有することを特徴とする核スピン偏極検出方法が得られる。
本発明によれば、移動度が普通の値でｇ因子が大きい二次元量子構造に適用可能な核スピン偏極装置を提供することができる。
核スピン偏極装置１を示す概略図である。 核スピン偏極装置１の測定対象としての二次元量子構造を示す図である。 核スピン偏極装置１の動作を示すフローチャートである。 図２のＳ１０２を説明するための模式図である。 図２のＳ１０３を説明するための図である。 ランダウ準位分離とゼーマン準位分離の交差部分の抵抗変化の測定例を示す図である。 ランダウ準位分離とゼーマン準位分離の交差部分の抵抗変化の測定例を示す図である。 ランダウ準位分離とゼーマン準位分離の交差部分の抵抗変化の測定例を示す図である。
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を詳細に説明する。
まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本実施形態に係る核スピン偏極装置１の構造について簡単に説明する。
図１Ａに示すように、核スピン偏極装置１はチャンバ２を有し、チャンバ２内にはｇ因子が大きい二次元量子構造を有する試料３を磁場中で保持・傾斜させる公知のアクチュエータ等の傾斜装置５が交差部として設けられている。さらに、試料３の外側を覆うようにコイル７が巻き回されており、コイル７には電源９が接続されている。即ち、コイル７に電源９を用いて交流電流Irfを流すことで、試料３に交流磁場を印加することができる。
また、核スピン偏極装置１は試料３に電流を流すための電源１１（偏極部）および電流を流した際の抵抗変化を測定するための抵抗測定器１３を有している。
なお、本発明の核スピン偏極装置１はＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のｇ因子が大きい二次元量子構造の核スピンを偏極する装置であり、二次元量子構造は、例えば図１Ｂに示すようにＡｌＩｎＳｂバリアに挟まれたＩｎＳｂ量子井戸を有する構造である。
次に、核スピン偏極装置１を用いた核スピンの偏極および検出方法について図２を参照して説明する。
まず、図２に示すように、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の二次元量子構造を有する試料３を核スピン偏極装置１内に配置し、磁場を加える。具体的には、チャンバ２の外側にある図示しない超伝導マグネット等を用いて、直流磁場を図１Ａの上下方向に加える。即ち、試料３を磁場中に配置する（Ｓ１０１）。
磁場強度は例えば８Ｔ程度である。
（ａ）次に、図２に示すように、試料３を傾斜装置５を用いて磁場中で傾斜させ、ランダウ準位分離とゼーマン準位分離が等しい状況を作り、異なるスピン状態を交差させる（Ｓ１０２）。
ここで、図３を参照してＳ１０２をより詳細に説明する。
図３に示すように、ランダウ準位分離は垂直磁場の値のみで決まるのに対し、ゼーマン準位分離は垂直磁場だけでなく、平行磁場も含めた全磁場で決まる。
そのため、ＩｎＳｂ二次元系量子井戸のように、相対的に電子のｇ因子が大きい構造、例えばＩｎＳｂ（ｇ因子が３０以上）のように、ＧａＡｓ（ｇ因子は０．５程度）よりもｇ因子が大きい物質を用いた量子構造では、試料３を傾斜させることにより、異なるランダウ準位の異なるスピン状態を交差させることができる。
（ｂ）次に、図２に示すように、交差状態の電気的特性を調べ、交差時に異なるスピン状態のドメインが形成されている交差状態を選ぶ（Ｓ１０３）。
具体的には図４に示すように、傾斜角毎の垂直磁場と縦抵抗の関係（量子ホール効果）を測定し、新たなピークが現れている部分をコンピュータ等の公知の検出装置（選択部）で検出する。
即ち、図４では傾斜角度５８°〜５９°付近で０番目（基底状態）のランダウ順位の下向きスピンと一番目のランダウ順位の上向きスピンの交差が生じており、ν＝２の領域に現れる新たなピークが、交差点で二つの異なるスピン状態のドメインが形成されていることを示している。
なお、図４における傾斜角は、試料３中の二次元電子面が磁場印加方向に垂直な状態での試料３の状態を角度０度とした場合の傾斜角を意味する（傾斜角度９０°で磁場が二次元面に完全に平行になる）。
（ｃ）次に、図２に示すように、試料３に電源１１を用いて電流を流すことにより核スピンを偏極する（Ｓ１０４）。
具体的には、通常の量子ホール効果測定に用いる電流の１０〜１００倍の電流を流す。
（ｄ）次に、図２に示すように、試料３の核スピン偏極を読み出す（Ｓ１０５）。
具体的には、交差点の抵抗値は核スピンの偏極によりわずかに変化するため、この抵抗値の変化を抵抗測定器１３で検出することにより、核スピン偏極を読み出す（検出する）。
以上が核スピンの偏極および検出方法である。
このように、本実施形態によれば、核スピン偏極装置１は磁場中で試料３のランダウ準位分離とゼーマン準位分離が等しい状況を作り、異なるスピン状態を交差させ、交差点の核スピン偏極による抵抗変化から核スピン偏極を検出している。
そのため、核スピン偏極装置１は二次元量子構造の核スピン偏極を検出可能である。
以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
図１Ａに示す核スピン偏極装置１を用いてＩｎＳｂの核スピン偏極の検出を試みた。
具体的な手順は以下の通りである。
［試料の作製］
まず、核スピン偏極の検出対象として、図１Ｂに示すような構造を有するＩｎＳｂ二次元量子構造を用意した。
次に、図１Ｂに示したＩｎＳｂ二次元量子構造にフォトリソグラフィプロセスを用いて幅４０μｍ、電圧測定端子間の長さ１７０μｍのホールバー構造を作製し、これを試料３とした。
［核スピン偏極］
次に、作製した試料３を核スピン偏極装置１内に載置し、磁場を加えた。本実施例では、磁場を０〜１５Ｔまで変化させながらチャンバ２の外側にある図示しない超伝導マグネット等を用いて直流磁場を図１Ａの上下方向に印加し、傾斜装置５を用いて試料３を回転させて、傾斜角度を変えては磁場を変化させて、磁気抵抗効果を測定した。
次に、上記の実験結果を参考にして、ランダウ準位分離とゼーマン準位分離が等しい状況が傾斜角度５７．３°〜６０．８°付近で実現できることを確認し、この範囲で垂直磁場と縦抵抗の関係の詳細（量子ホール効果の詳細）を測定した。なお、測定時の温度は、公知の冷却装置を用いて１００ｍＫとした。
すると、実際に、図４に示すように、角度５８°〜５９°付近で新たなピークが検出され、ν＝２の領域で０番目（基底状態）のランダウ順位の下向きスピンと一番目のランダウ順位の上向きスピンの交差が生じており、二つの異なるスピン状態のドメインが形成されていることが分かった。
次に、核スピンを偏極させるため、電源１１を用いて試料３に１．４μＡの電流を流した。
次に、交差点の抵抗変化を抵抗測定器１３で測定した。
具体的には、試料３の外側に巻いたコイル７に交流電流を流すことで、Ｉｎ核ならびにＳｂ核の共鳴周波数に対応する振動磁場を試料３に加えた。
その結果、図５Ａ〜Ｃに示すように、交差点の抵抗値が減少していることが分かった。
これは、核スピンの偏極により増大した抵抗値がＩｎ核ならびにＳｂ核の共鳴周波数に対応する振動磁場を与えたことにより減少したことを意味しており、即ち、核スピンの偏極が検出されたことを示している。この結果と電流を流した時の時間による抵抗値の変化や、共鳴周波数による抵抗変化後のゆっくりした抵抗値の変化を併せて考えることで、抵抗変化が核スピン偏極度を反映していること、逆にいえば、核スピン偏極度が抵抗で検出可能であることを確認できた。
また、図５Ａ〜Ｃに示す結果から、ＩｎＳｂ二次元量子構造において、高感度抵抗検出核磁気共鳴（ＮＭＲ）が実現できたことが分かった。
以上の結果より、核スピン偏極装置１を用いてＩｎＳｂの核スピン偏極の検出が可能であることが分かった。
上述した実施例ではＩｎＳｂ二次元量子構造の核スピンを検出した場合について説明したが、本発明は特にこれに限定されることなく、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のｇ因子の大きな二次元量子構造にも当然適用することができる。
また、本発明の核スピン検出装置は、ＮＭＲやＮＭＲを利用した量子コンピュータ、あるいは半導体のひずみ検出装置に適用できる。
１ 核スピン偏極装置
２ チャンバ
３ 試料
５ 傾斜装置
７ コイル
９ 電源
１１ 電源
１３ 抵抗測定器

Claims (13)

  1. 二次元量子構造を磁場中で傾斜させてランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させる交差部と、
    前記二次元量子構造の核スピンを偏極させる偏極部と、
    を有し、
    前記交差部がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分の核スピンの偏極を検出することを特徴とする核スピン偏極検出装置。
  2. 前記偏極部は、
    前記二次元量子構造に電流を流すことにより、核スピンを偏極させることを特徴とする請求項１記載の核スピン偏極検出装置。
  3. 前記交差部がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分のうち、交差時に異なるスピン状態のドメインが形成されている部分を選択する選択部を有し、
    前記選択部が選択した部分の核スピン偏極を検出することを特徴とする請求項２記載の核スピン偏極検出装置。
  4. 前記二次元量子構造に電流を流した際の、前記交差部がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分の抵抗変化から核スピン偏極を検出することを特徴とする請求項２または３のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出装置。
  5. 前記二次元量子構造は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出装置を有することを特徴とする核磁気共鳴装置。
  7. 請求項６記載の核磁気共鳴装置を有することを特徴とする量子ビット。
  8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出装置を有し、得られたＮＭＲスペクトルの四重極分離からひずみを検出することを特徴とする半導体のひずみ検出装置。
  9. 二次元量子構造を磁場中で傾斜させてランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させる第１の工程と、
    前記二次元量子構造の核スピンを偏極させる第２の工程と、
    前記第１の工程が交差させた部分の核スピンの偏極を検出する第３の工程と、
    を有することを特徴とする核スピン偏極検出方法。
  10. 前記第２の工程は、
    前記二次元量子構造に電流を流すことにより、核スピンを偏極させることを特徴とする請求項９記載の核スピン偏極検出方法。
  11. 前記第１の工程と前記第２の工程の間に行われ、前記第１の工程がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分のうち、交差時に異なるスピン状態のドメインが形成されている部分を選択する第４の工程をさらに有し、
    前記第３の工程は、前記第４の工程が選択した部分の核スピン偏極を検出することを特徴とする請求項１０記載の核スピン偏極検出方法。
  12. 前記第３の工程は、
    前記二次元量子構造に電流を流した際の、前記第１の工程がランダウ準位分離とゼーマン準位分離を交差させた部分の抵抗変化から核スピン偏極を検出することを特徴とする請求項１０または１１のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出方法。
  13. 前記二次元量子構造は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓのいずれかであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載の核スピン偏極検出方法。
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