2017 Fiscal Year Annual Research Report
Design of topological effects in semiconductor nanostructures
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16H02204
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
ロス ダニエル 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, チームリーダー (00524000)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
STANO PETER 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, 上級研究員 (10722746)
樽茶 清悟 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, グループディレクター (40302799)
ディーコン ラッセル 国立研究開発法人理化学研究所, 主任研究員研究室等, 専任研究員 (40552443)
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, 基礎科学特別研究員 (70755545)
松尾 貞茂 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90743980)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体物性 / 物性実験 / 物性理論 / マヨラナ粒子 / 超伝導 / 電子対分離 / スピン軌道相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)超伝導体Al電極を持つInAs量子細線ジョセフソン接合試料を作製し、交流ジョセフソン効果によるシャピロステップおよびジョセフソン放射の検出に成功した。さらに、交流ジョセフソン効果の高周波信号が接合近傍の回路定数の変化によって変調を受けることを見出した。
(2)2重ナノ細線において、ドットを介さないクーパー対分離の実証と分離効率100%以上を実現した。また、上記のクーパー対分離ではスピン軌道相互作用を持つ細線のラッティンジャー液体的性質が重要となるため、これを解明するためにInAs量子細線のラッティンジャー液体的性質を伝導度測定から明らかにし、電子間相互作用が非常に大きな系であることがわかった。また、コルビノ型ジョセフソン接合では、抵抗の磁場依存性から磁気渦の大きさを評価することに成功し、ゲート電圧や温度によって磁気渦の大きさが制御できることがわかった。
(3)これまでに、HgTeスピンホール絶縁体および3次元トポロジカル絶縁体ジョセフソン接合試料においてトポロジカル相による超伝導位相の4π周期性の観測にしており、新たにBi量子細線、InSbナノフレーク、BiSb単結晶等においてトポロジカル相の観測を試みた。また、Ge/Si量子細線上の量子ポイント接合において、ヘリカル状態の証拠となる伝導度のリエントラント構造の観測に成功した。さらに、InSb量子細線ジョセフソン接合におけるアンドレーエフ束縛状態の観測のために、強磁場で動作するNbTiN超伝導体共振器を開発した。
(4)GaAs系量子ホールエッジ状態における核スピンの抵抗の効果を解析し、その効果により伝導度の量子化が消失することを理論的に明らかにした。同時に、自己形成螺旋核スピン構造がどのように抵抗に反映されるかを実証した。さらに、フォノン等による長距離相互作用ノイズに対するマヨラナ状態の安定性に関する理論的研究を始めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（区分）（２）おおむね順調に進展している。
（理由）実験的研究では、様々な物質系において、トポロジカル粒子検出のための各試料作製技術・測定技術が確立され、定量的な議論が可能になりつつある。2重ナノ細線でのクーパー対分離の実証は、当初計画にあるマヨラナ粒子の無磁場での実現へとつながる重要な結果であり、必要条件が満たされたことを意味している。また、上記クーパー対分離の微視的機構にはラッティンジャー液体の性質が大きく関与しており、InAs細線のラッティンジャー液体的性質を定量評価できたことは高効率クーパー対分離の機構の解明へとつながる。さらに、コルビノ型ジョセフソン接合での磁気渦の大きさの制御はトポロジカル絶縁体ジョセフソン接合でのマヨラナ粒子の制御へと直結する技術であるため重要である。
理論的研究では、量子ドットの測定からスピン軌道相互作用を評価する理論を確立し、この手法により実験的にスピン軌道相互作用を評価することに成功している。さらに、2次元トポロジカル絶縁体におけるエッジチャネルの量子化の消失について解析し、この結果は既存の複雑な実験結果をよく説明し、一般的にトポロジカル物質の安定性に結びつく。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)単一量子細線試料では、磁場応答を改善するために、より強いスピン軌道相互作用を持つInSb量子細線において、InAs量子細線試料と同等に高品質な試料を実現し、高周波測定によってマヨラナ粒子による超伝導位相の4π周期性の観測を目指す。
(2)2重ナノ細線でのクーパー対分離に関しては、超伝導体と2重ナノ細線の近接領域のゲート制御を行い、クーパー対分離現象の微視的機構の解明と完全な制御を達成する。また、InAs細線でのラッティンジャー液体的性質に関しては、スピン軌道相互作用がラッティンジャー液体に及ぼす効果を解明するために異なる結晶方位に平行に作製された量子細線の定量評価を行う。これによりラッティンジャー液体の中に出現するスピン軌道相互作用の効果を明らかにする。さらに、トポロジカル絶縁体と超伝導体とでジョセフソン接合を作製し、超伝導電流のゲート制御を実現する。
(3)HgTe系の物質において複雑な構造の試料を作製することが難しいため、InSb量子細線および近年量子スピンホール効果が観測されたWTe2においてトポロジカル相の観測を目指す。InSb量子細線では、NbTiN超伝導体共振器と結合させ、アンドレーエフ束縛状態のスペクトロスコピー測定を行う。
(4)理論的研究では、まず、電子間相互作用がもたらすマヨラナ粒子のエネルギー分裂を解析し、トポロジカル物質の安定性を評価する。次に、Si/Geコアシェル量子細線、エッチングされたIII-V族半導体量子細線等の新たな物質をトポロジカル相の新奇プラットフォームとして評価する。
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[Journal Article] Cooper pair splitting in two parallel InAs nanowires2018
Author(s)
Shoji Baba, Christian Junger, Sadashige Matsuo, Andreas Baumgartner, Yosuke Sato, Hiroshi Kamata, Kan Li, Soren Jeppesen, Lars Samuelson, Hongqi Xu, Christian Schonenberger, Seigo Tarucha
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Journal Title
arXiv
Volume: 1802.08059
Pages: 1-14
Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] 並列二重InAsナノ細線と超伝導体の接合におけるクーパー対分離の観測2017
Author(s)
Y. Sato, S. Baba, C. Juenger, Sadashige Matsuo, A. Baumgatner,Hiroshi Kamata , K. Li, H.Q. Xu, C. Schonenberger, A. Oiwa, S. Tarucha
Organizer
日本物理学会2017年秋季大会
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