半導体／超伝導体複合構造におけるトポロジカル量子ビットの開発

• Project/Area Number: 18K13486
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 鎌田 大 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (70755545)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 半導体物性 / メゾスコピック系 / マヨラナ粒子 / 量子細線 / 超伝導 / ジョセフソン接合

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超伝導体／半導体量子細線複合構造を用いて、トポロジカル量子ビットの実現、原理実証を目標としている。本年度は、トポロジカル粒子であるマヨラナ粒子の検出を目指して、超伝導体Al／半導体InAs量子細線ジョセフソン接合において、超伝導電流の観測および高周波測定による交流ジョセフソン効果の観測を試みた。
半導体量子細線ジョセフソン接合において、マヨラナ粒子が実現するトポロジカル相では超伝導位相差が4πになると予測されているが、技術的な難しさにより、この系においてマヨラナ粒子の確かな実証はまだなされていない。今回、超伝導体金属の蒸着条件を最適化することにより、明瞭な超伝導電流を観測し、スイッチング電流をゲート電圧および磁場で変調することに成功した。さらに、高周波測定によって、零磁場において超伝導位相差2πを示すシャピロステップおよびジョセフソン雑音の観測に成功した。この結果は、この試料における交流ジョセフソン効果が測定可能なことを示している。
一方、量子細線ジョセフソン接合において、トポロジカル相転移を観測するためには外部磁場を印加する必要があるが、磁場によって接合近傍の回路定数が変化し、交流ジョセフソン効果の高周波信号が変調を受けることを見出した。この結果は、トポロジカル量子ビット素子を設計する上で重要な結果であり、今後、試料の構造を最適化することにより、この系においてマヨラナ粒子の生成・検出、そして、トポロジカル量子ビットの実現が期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 北京大学(中国)
• [Int'l Joint Research] ルンド大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] バーゼル大学(スイス)
• [Journal Article] Anomalous modulation of Josephson radiation in nanowire-based Josephson junctions (2018)
  • Author(s): H. Kamata, R. S. Deacon,S. Matsuo, K. Li, S. Jeppesen, L. Samuelson, H. Q. Xu, K. Ishibashi, and S. Tarucha,
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 98 Issue: 4 Pages: 41302-41302
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.041302
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cooper-pair splitting in two parallel InAs nanowires (2018)
  • Author(s): Baba, S ; Junger, C ; Matsuo, S ; Baumgartner, A ; Sato, Y ; Kamata, H ; Li, K ; Jeppesen, S ; Samuelson, L ; Xu, HQ ; Schonenberger, ; Tarucha, S
  • Journal Title: NEW JOURNAL OF PHYSICS Volume: 20 Issue: 6 Pages: 63021-63021
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aac74e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous modulation of Josephson radiation in nanowire-based Josephson junctions (2018)
  • Author(s): Kamata H.、Deacon R. S.、Matsuo S.、Li K.、Jeppesen S.、Samuelson L.、Xu H. Q.、Ishibashi K.、Tarucha S.
  • Organizer: ICPS2018
  • Int'l Joint Research