[論文レビュー] Coherent Spin Dynamics in Open Driven Double Quantum Dots

Rafael Sánchez, Carlos López-Monís+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、直流および交流磁場が直交する条件下で、直流バイアスが印加された二重量子ドットにおける整合的スピンダイナミクスを調査し、スピン保存則に起因してスピン三重項状態が電流の流れを抑制することを示している。ゼーマン分裂の違いを調整するか、共鳴する二色性磁場を適用することで、電子を整合的に操作可能となり、測定可能なトンネル電流を介してスピン回転を検出できる。これにより、スピン緩和時間の測定や、整合的スピン制御の実装への道筋が開かれる。

ABSTRACT

We analyze the charge and spin dynamics in a DC biased double quantum dot driven by crossed DC and AC magnetic fields. In this configuration, spatial delocalization due to inter-dot tunnel competes with intra-dot spin rotations induced by the time dependent magnetic field, giving rise to a complicated time dependent behavior of the tunnelling current. When the Zeeman splitting has the same value in both dots and spin flip is negligible, the electrons remain in the triplet subspace (dark subspace) performing coherent spin rotations and the current does not flow. This electronic trapping is removed either by finite spin relaxation or when the Zeeman splitting is different in each quantum dot. In the first case, our results show that measuring the current will allow to get information on the spin relaxation time. In the last case, we will show that applying a resonant bichromatic magnetic field, the electrons become trapped in a coherent superposition of states and electronic transport is blocked. Then, manipulating AC magnetic fields, electrons are driven to perform coherent spin rotations which can be unambiguously detected by direct measurement of the tunneling current.

研究の動機と目的

• 直流および交流磁場が同時に作用する二重量子ドットにおける、整合的スピンダイナミクスがトンネル電流に与える影響を理解すること。
• スピン三重項部分空間におけるスピン保存則に起因する電子輸送が遮断される条件を調査すること。
• 有限のスピン緩和が存在する中で、トンネル電流の測定がスピン緩和時間の抽出にどのように利用できるかを示すこと。
• 共鳴する二色性磁場が、輸送を遮断する整合的重ね合わせを誘発するメカニズムを調査すること。
• 直接電流測定による明確なスピン回転検出手法を確立すること。

提案手法

• 二重トンネル結合を有する量子ドット系をモデル化し、時間依存磁場がスピン回転を誘導する仕組みを解析する。
• 空間的拡散（トンネル効果）と、時間変化する磁場が引き起こす局所的スピン回転の間の競合を分析する。
• スピン保存過程が電流を抑制する「暗い状態」としてのスピン三重項部分空間に焦点を当てる。
• 有限のスピン緩和を導入することでスピン簡約性を破り、電流の回復を実現。これにより、緩和時間の測定が可能になる。
• 共鳴する二色性交流磁場を適用し、輸送を遮断する整合的重ね合わせを生成する。
• 調整可能な交流磁場を用いてスピン回転を駆動し、トンネル電流の変化を介してその検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン三重項部分空間における整合的スピンダイナミクスが原因でトンネル電流がゼロになる条件は何か？
• RQ2 トンネル電流はどのようにしてスピン緩和時間の情報を抽出できるか？
• RQ3 ドット間でのゼーマン分裂の違いが電流ブロッキングの解除に果たす役割は何か？
• RQ4 共鳴する二色性磁場が、電子輸送を遮断する整合的重ね合わせを誘発できるか？
• RQ5 直接電流測定によって、明確にスピン回転を検出する方法は何か？

主な発見

• 両ドットにおけるゼーマン分裂が同一であり、スピン緩和が無視できる場合、電子はスピン三重項部分空間に留まり、スピン保存則に起因してトンネル電流はゼロとなる。
• 有限のスピン緩和が電流ブロッキングを解除し、電流の流れを回復させる。この電流の測定を用いてスピン緩和時間を抽出可能である。
• ドット間でのゼーマン分裂の違いがスピン三重項保護を解除し、外部磁場による整合的制御を可能にする。
• 共鳴する二色性磁場を印加することで、状態の整合的重ね合わせが誘発され、電子輸送が遮断される。
• 調整可能な交流磁場によって駆動される整合的スピン回転は、トンネル電流の測定可能な変化を引き起こし、スピンダイナミクスの直接検出が可能になる。
• 本系は、直接電流測定による明確なスピン回転検出を可能とし、スピンベースの量子制御への実用的ルートを提供する。