超伝導体－二重量子細線接合系でのクーパー対分離を用いた新奇マヨラナ粒子の実現

• Project/Area Number: 18J14172
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 佐藤 洋介 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 朝永-ラッティンジャー液体 / 量子細線 / スピン軌道相互作用 / マヨラナフェルミオン

Outline of Annual Research Achievements

一般に1次元電子系においては電子の遮蔽効果が抑制され、実効的に電子間相互作用が強くなる(朝永-Luttinger液体：TLL)。
一方で、Majoranaフェルミオン(MF)が、超伝導体と、強いスピン軌道相互作用(SOI)をもち隣接している2本の量子細線(DNW)との接合に発現するという理論提案がなされた。新奇MFはトポロジカル量子コンピュータなどの工学的応用や背景にある物理の探求という学術的意義につながる。
新奇MFの観測には高効率なCooper対分離が必須であるが、TLLの電子間相互作用により分離したときにエネルギー利得が発生するようにすると十分な効率になる。しかし強いSOI下のTLLについては実験的にはあまり検証されていない。理論的にはほぼ影響がないとするものからTLLが壊れるとするものまで、様々である。
そこで研究員らは、強いSOIを持つInAs細線を作製し極低温で電気伝導測定を行った。結果は理論に非常によく一致し、理論グループとの共同研究によりSOIが極めて強くても相関はほとんど変化しないということを明らかにした。相互作用の強さは結果からの試算ではMF発現に十分であり、ゲート電圧によって調整可能である。この結果は、SOI下のTLLの議論に寄与すると同時に、MF実現に向けた研究を大きく前進させる。
加えてGe/SiGe量子井戸でも実験を進めている。SOIおよびその異方性の強さにより、結晶方向の異なる細線を比較することでSOIの強さの影響を検証できる。また磁場応答の異方性より、磁場下のTLLについても詳細な議論が可能になる。InAsでは多重細線を用いていたが、Geは高易動度であるため単一細線での実験が可能となる。Si系基板の取り扱いは技術的難度が高いが、研究者は所属研究室の技術を応用して新たな加工手順を確立してきた。実際に伝導度のTLL的振る舞いの観測に成功している。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California Santa Barbara/New York University(米国)
• [Int'l Joint Research] Slovak Academy of Sciences(スロバキア)
• [Int'l Joint Research] University of Basel(スイス)
• [Journal Article] Experimental study of ac Josephson effect in gate-tunable (Bi1竏遅Sbx)2Te3 thin-film Josephson junctions (2020)
  • Author(s): [Yuusuke Takeshige,Sadashige Matsuo,Russell S. Deacon,Kento Ueda,Yosuke Sato,Yi-Fan Zhao,Lingjie Zhou,Cui-Zu Chang,Koji Ishibashi,Seigo Tarucha]
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 11 Pages: 115410-115410
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.115410
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strong Electron-Electron Interactions of a Tomonaga--Luttinger Liquid Observed in InAs Quantum Wires (2019)
  • Author(s): Yosuke Sato, Sadashige Matsuo, Chen-Hsuan Hsu, Peter Stano, Kento Ueda, Yuusuke Takeshige, Hiroshi Kamata, Joon Sue Lee, Borzoyeh Shojaei, Kaushini Wickramasinghe, Javad Shabani, Chris Palmstrom, Yasuhiro Tokura, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 15 Pages: 155304-155304
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.155304
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dominant nonlocal superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire (2019)
  • Author(s): [Kento Ueda,Sadashige Matsuo,Hiroshi Kamata,Shoji Baba,Yosuke Sato,Yuusuke Takeshige,Kan Li,Sテカren Jeppesen,Lars Samuelson,Hongqi Xu,Seigo Tarucha]
  • Journal Title: Science Advances Volume: 5 Issue: 10 Pages: 2194-2194
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaw2194
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Charge transport of a spin-orbit-coupled Luttinger liquid (2019)
  • Author(s): Hsu Chen-Hsuan、Stano Peter、Sato Yosuke、Matsuo Sadashige、Tarucha Seigo、Loss Daniel
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 19 Pages: 195423-195423
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.195423
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Tomonaga-Luttinger liquid behavior in wires on an InAs Quantum well holding strong spin-orbit interaction (2020)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, P. Stano, D. Loss, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J.S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, S. Tarucha
  • Organizer: New Perspective in Spin Conversion Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strong electron-electron interactions of a Tomonaga- Luttinger liquid observed in InAs wires formed on a quantum well (2019)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J. S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, P. Stano, D. Loss, and S. Tarucha
  • Organizer: Frontiers in Quantum Information Physics and Technology Mini-workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] \Strong electron-electron interactions of a Tomonaga- Luttinger liquid observed in wires formed on an InAs quantum well (2019)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, P. Stano, D. Loss, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J.S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, S. Tarucha
  • Organizer: New Materials and Structures in Topological and Correlated Systems (Gordon Re- search Conference)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] \Strong Electron-Electron Interactions of Tomonaga{Luttinger Liquid observed in InAs Quantum Wires (2019)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, P. Stano, D. Loss, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J.S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, S. Tarucha
  • Organizer: 第8 回半導体/超伝導体量子効果と量 子情報の夏期研修会
• [Presentation] "Anomalous Shapiro steps in Josephson junctions of ballistic InAs nanowires (2019)
  • Author(s): ○K. Ueda, S. Matsuo, H. Kamata, Y. Sato, Y. Takeshige, K. Li, L. Samuelson, S. Jeppesen, H.Q. Xu, S. Tarucha
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strong Electron-Electron Interactions of Tomonaga-Luttinger Liquid observed in InAs Quantum Wires (2018)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J. S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, P. Stano, D. Loss, and S. Tarucha
  • Organizer: 第8回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の夏期研修会
• [Presentation] Tomonaga-Luttinger liquid behaviour in 1D electron system fabricated from InAs Quantum well holding strong spin-orbit interaction (2018)
  • Author(s): ○Y. Sato, S. Matsuo, C.-H. Hsu, P. Stano, D. Loss, K. Ueda, Y. Takeshige, H. Kamata, J.S. Lee, B. Shojaei, J. Shabani, C. Palmstrom, Y. Tokura, S. Tarucha
  • Organizer: “Tomonaga-Luttinger liquid behaviour in 1D electron system fabricated from InAs Quantum well holding strong spin-orbit interaction”, International Conference on the Physics of Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Cooper pair splitting in a ballistic Josephson junction through double InAs nanowires (2018)
  • Author(s): ○K. Ueda, S. Matsuo, H. Kamata, Y. Sato, Y. Takeshige, K. Li, L. Samuelson, S. Jeppesen, H.Q. Xu, S. Tarucha
  • Organizer: International Conference on the Physics of Semiconductors
  • Int'l Joint Research / Invited