[論文レビュー] Nuclear Feedback in a Single Quantum Dot under Pulsed Optical Control

Thaddeus D. Ladd, David Press+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2010

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、単一の InAs 量子ドットにおいて、共鳴光学的核スピンポンプとスピン拡散の競合をモデル化することで、電子スピンの共鳴光学的制御が三重子状態の励起を通じて核スピンダイナミクスを変調する核スピンフィードバック機構を示している。このフィードバックは、自由誘導減衰におけるヒステリックな歯車型パターンと非正弦波型のスピンエコー干渉縞を引き起こし、パルスタイミングによる電子ラーモア周波数の動的チューニングを可能にする。

ABSTRACT

Electron spins in quantum dots under coherent control exhibit a number of novel feedback processes. Here, we present experimental and theoretical evidence of a feedback process between nuclear spins and a single electron spin in a single charged InAs quantum dot, controlled by the coherently modified probability of exciting a trion state. We present a mathematical model describing competition between optical nuclear pumping and nuclear spin-diffusion inside the quantum dot. The model correctly postdicts the observation of a hysteretic sawtooth pattern in the free-induction-decay of the single electron spin, hysteresis while scanning a narrowband laser through the quantum dot's optical resonance frequency, and non-sinusoidal fringes in the spin echo. Both the coherent electron-spin rotations, implemented with off-resonant ultrafast laser pulses, and the resonant narrow-band optical pumping for spin initialization interspersed between ultrafast pulses, play a role in the observed behavior. This effect allows dynamic tuning of the electron Larmor frequency to a value determined by the pulse timing, potentially allowing more complex coherent control operations.

研究の動機と目的

• 光学的制御下における単一の正に帯電した InAs 量子ドット内での電子スピンと核スピンの間のフィードバックメカニズムを調査すること。
• 共鳴光学的ポンプと電子スピンの共鳴的回転が、核スピンダイナミクスにどのように影響を与えるかを理解すること。
• 量子ドット内での光学的核スピンポンプと核スピン拡散の競合をモデル化すること。
• 自由誘導減衰におけるヒステリックな歯車型パターンと非正弦波型のスピンエコー干渉縞の起源を説明すること。
• 核スピンフィードバックの存在下で、制御されたパルスタイミングにより電子ラーモア周波数を動的にチューニングできることを実証すること。

提案手法

• 量子ドット内の電子スピンを共鳴的でない超短パルスレーザーを用いて、共鳴的に回転させた。
• 電子スピンの初期化と核スピン極化の変調を目的として、共鳴的狭帯域光学ポンプを適用した。
• 光学的核スピンポンプと核スピン拡散ダイナミクスを組み込んだ数学的モデルを構築した。
• 実験的観察と比較して、自由誘導減衰およびスピンエコー信号をシミュレートした。
• レーザー周波数スキャンを用いて、電子スピン応答におけるヒステリックな挙動をプローブした。
• 理論的予測と実験データを統合し、フィードバックメカニズムの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴光学的制御による電子スピンの制御は、単一の量子ドット内での核スピンダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 自由誘導減衰において観察されたヒステリックな歯車型パターンの原因は何であるか？
• RQ3 パルス励起下でのスピンエコー信号に非正弦波型の縞が現れる理由は何か？
• RQ4 光学的核スピンポンプと核スピン拡散が、観察されたスピンダイナミクスの形状をどのように決定づけるか？
• RQ5 核スピンフィードバックの存在下で、パルスタイミングを用いて電子ラーモア周波数を動的にチューニングできるか？

主な発見

• 自由誘導減衰における観察されたヒステリックな歯車型パターンは、光学的核スピンポンプと核スピン拡散の相互作用に起因する。
• スピンエコー信号における非正弦波型の縞は、共鳴光学ポンプによって誘発される非平衡核スピン極化の直接的結果である。
• 同一のパrameterセットを用いて、理論モデルがヒステリックな挙動と非正弦波型エコー縞の両方を成功裏に後件予測した。
• 共鳴的電子スピン回転と共鳴光学ポンプが、電子スピンと核スピンの間のフィードバックループを共同で駆動している。
• 電子ラーモア周波数は、超短パルスのタイミングに応じて、動的にチューニング可能である。
• このフィードバック機構は、量子情報処理における複雑なコherent制御操作への応用可能性を秘めている。