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シングルリード量子ドットを用いた低磁場でのスピン検出

はじめに

物質のなかで電気を運ぶ電子には、電荷という性質とともにスピンという性質があり、これをうまく使えば、新しい素子等に応用できる可能性があります。

このため物質中でのスピンの状態を調べることは大切で、これまで私たちは量子ドットを使ってスピンがどれくらいそろっているか(スピン偏極)をミクロに調べる方法を開発してきました。今回これを磁場が小さい状況でも使えるように発展させ、その動作を実験で示しました。


実験

右図に試料の模式図を示します。スピン偏極を測定する対象に量子ドットが結合しています。

量子ドット中にはスピンに依存した状態があり、特にゼロ磁場でもスピンに依存している、シングレット、トリプレット状態への電子の流入を測定することによって、低磁場でもスピン偏極を調べることができます。

今回は比較的低磁場でスピン偏極を示す量子ホールエッジ状態と呼ばれる状態を測定対象として用いて、この手法が動作することを確かめました。




右図に測定結果を示します。

左側がスピン偏極がないとき、右側がスピン偏極があるときの結果です。スピン偏極がない場合にはシングレット、トリプレットの双方に電子が流入しているのに対して、スピン偏極がある場合にはトリプレットのみに電子がたくさん流入していることが分かります。

この差よりスピン偏極を実験から求めることができます。





実際に求めた結果を右図に示します。

左側が新しい私たちのミクロな方法で調べた結果、右側がこれまでのマクロな方法で調べた結果を示しています。磁場が大きくなるにつれてスピン偏極が形成される様子を見ることができます。

また新しい方法では、これまでの方法では見ることのできなかった領域でもスピン偏極を観察できました。これはミクロに形成されたスピン偏極を、新しい方法を使ってはじめて検出できたことを示しています。



まとめ

量子ドットを使ってスピン偏極をミクロに調べる方法を、低磁場でも使えるように発展させ、量子ホール状態を用いてその動作を確認しました。

この結果は低磁場で起こる面白いスピン現象を調べることに応用することができます。


参考文献

"Detection of spin polarization utilizing singlet and triplet states in a single-lead quantum dot", Tomohiro Otsuka, Yuuki Sugihara, Jun Yoneda, Shingo Katsumoto, and Seigo Tarucha, Phys. Rev. B 86, 081308(R) (2012).