The Exotic Excitations in Quantum Anomalous Hall Insulator / Superconductor Hybrid System

Research Project

Project/Area Number	21J15526
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	国内
Review Section	Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	大橋良伊名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000) Fiscal Year 2022: ¥100,000 (Direct Cost: ¥100,000) Fiscal Year 2021: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
Keywords	エニオン / 量子ホール効果 / 超伝導体 / 分数量子ホール効果 / 輸送現象
Outline of Research at the Start	従来のコンピュータの処理速度を遥かに上回る「量子コンピュータ」の発展が現代社会への多大な貢献になると期待されている。しかし、この演算を可能にするために新たな性質をもつ粒子の作成・制御が必要な実状である。そこで我々は、2016年にノーベル物理学賞を受賞した「トポロジカル相」の理論で提案されている「量子異常ホール絶縁体/超伝導体ハイブリッド系」という物質に着目した。この物質には「マヨラナフェルミオン」と呼ばれる準粒子が流れていることが期待されている。本研究はその準粒子同士を組み合わせることで「エキゾチック励起」としての新たな準粒子の発見を目標とし、社会の発展の基礎的な足がかりとなることを目指す。
Outline of Annual Research Achievements	本研究はエキゾチックな準粒子励起であるマヨラナフェルミオンおよびパラフェルミオンが出現する舞台の開拓を目的としたものである。研究代表者はまず、従来より研究を行っている量子異常ホール絶縁体(QAH)と超伝導体(SC)とのハイブリッド系(QAH/SC)の発展を試みた。その結果、異方的超伝導体を用いたQAH/SCにおいて多様な表面状態が出現することを明らかとし、特に時間反転の破れたヘリカルマヨラナモードの存在を示した。また、特定の状況下では2次元Bogoliubov Fermi面が存在することも示した。また、さらなるエキゾチック励起の特性解明のため、表面にエニオン励起が存在する分数量子ホール系の輸送模型を舞台とし、新たな研究の発展に取り組んだ。分数量子ホール系では、2粒子の交換の際に任意の位相因子を獲得するエニオンと呼ばれる準粒子の存在が示されている。それらの中で特に非可換エニオンを用いることで量子演算の実現が期待されている現状である。そこで我々は、パフィアン状態と呼ばれる分数量子ホール状態に現れるイジングエニオン（非可換エニオンの一種）の観測を試みる一つの手法として、ヘテロ構造における量子ポイントコンタクトの系を提案した。パフィアン状態分数量子ホール系と整数量子ホール系をポイントコンタクトで接合することで、各キャリアの不整合性から生じる「アンドレーエフ的反射」の輸送プロセスが生じることを提案し、またそれらが準粒子励起の種類によって「選択的」であることを確認した。本研究が、現在も盛んに行われている分数量子ホール系の実験、およびエキゾチック励起の観測という観点において、一つの足掛かりとなることを期待している。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。