北大ら,スピン情報を増幅する半導体ナノ構造を開発

北海道大学と北見工業大学は共同で,電子情報を光情報に変換する半導体光デバイスにおいて,電子のスピン情報を増幅・時間的にも一定に維持できる新しいナノ構造を開発した(ニュースリリース)。

電子には,磁石の性質をもたらすスピンと呼ばれる状態がある。電子のスピン状態の偏りを表すスピン分極率は,鉄やコバルトなど金属の強磁性体では一定の高い値を保つ。しかし金属では,電子情報を光情報に変換する発光ダイオードやレーザーなどの光デバイスが作製できないい。

一方,光デバイスに用いられる半導体では,逆に,電子のスピン分極率が刻一刻と低下するスピンの緩和現象が避けられないため,スピンの情報が失われてしまいう。

そこで研究グループは,大きさが数十ナノメートル以下で電子の個数を厳密に制御できる半導体のナノ構造である量子ドットを利用して,スピンが反転し緩和した電子を選択的に除去することを考えた。これによりスピン分極率を高めたり時間的に一定に保つことが可能になるという。

スピンの選択的除去を効率よく行なうためには,極めて小さな量子ドットの間で,スピンが分極した電子を量子力学的に結合させる(トンネル効果)必要がある。そこで,薄膜状の量子井戸という別のナノ構造を量子ドットにトンネル結合させた新しいナノ構造を作製したところ,発光中のスピン分極率を最大80%まで高めるとともに,発光が生じている時間中に一定の値に保つことができた。

この研究では,量子ドット間の電子の波動関数の結合であるトンネル効果の強さを,量子井戸の膜厚という簡単に制御できる構造パラメーターのみで精度よくコントロールすることを可能にした。

将来の超低消費電力光デバイス材料の本命とされる半導体量子ドットを用いて,電子スピンを用いた光デバイス(光電変換)を実現することにより,金属強磁性体を用いて開発が進められている超低消費電力の電子回路や脳型コンピューティングを実現するスピントロニクス分野において,スピン情報の光通信や光配線に向けた実用的な技術開発が可能になるという。

また,量子ドット間で電子やスピンの量子力学的結合を制御することにより,スピン情報ネットワークなどの新しい機能性の開拓も期待できるとしている。

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