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2017 Fiscal Year Research-status Report

位相可変トポロジカルジョセフソン接合の創製

Research Project

Project/Area Number 17K18756
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

新見 康洋  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (00574617)

Project Period (FY) 2017-06-30 – 2019-03-31
Keywords超伝導材料・素子 / ジョセフソン接合 / トポロジー / スピン蓄積
Outline of Annual Research Achievements

物性物理学は、量子力学的な効果を顕著に観測できる舞台であり、固体中の自由電子がその主役を担う。電子の波としての性質に着目すると、波の振幅は電子の存在確率を表すが、波には位相の自由度もある。通常、位相は直接的に観測、制御することは容易ではないが、超伝導ジョセフソン接合では、位相が重要な役割を果たす。しかし、これまでの超伝導ジョセフソン接合の研究では、位相は0もしくはπの2値に限られており、自由に制御できていない。
そこで本研究課題では、BiとNiの二層薄膜超伝導体を用いて、超伝導ジョセフソン接合の位相を、スピン蓄積で自在に変調する、位相可変ジョセフソンを創製する。さらにスピン緩和時間の飛躍的な増大を観測して、BiNiがp波スピン三重項超伝導体であることを実証し、最終的には超伝導ギャップの異方性を取り入れた、位相可変トポロジカルジョセフソン接合を創製することが最終的な目標である。
スピン蓄積でジョセフソン接合の位相を自由に変調することを目指して、昨年度は超伝導体BiNiと非磁性体Cuを用いてジョセフソン接合を作製した。超伝導体間の距離が1マイクロメートル程度になるとCu部分も超伝導転移を示すことが分かった。またBiNiがp波スピン三重項超伝導体であることを実証するために、スピン輸送実験を行い、超伝導転移温度以上ではあるが、スピン緩和時間を算出した。
今年度は、非磁性体Cuの部分に強磁性体を付けて、スピン蓄積でジョセフソン接合の位相を連続的に変化させることを目指す。また超伝導転移温度以下でのスピン緩和時間の測定を行い、異方的超伝導の特性を加えた新しいジョセフソン接合の機能を開拓する。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度は、共同研究を行っている中国復旦大学のXiaofeng JinグループからBiNiの2層薄膜の提供を受けるところからスタートした。電子線リソグラフィーとアルゴンイオンミリングを用いて、マイクロメートルサイズのBiNi素子を作製し、4 Kで超伝導転移することを確認した。その後、2つのマイクロメートルサイズの超伝導BiNiを架橋するように、非磁性体Cuを取り付け、架橋するCuの長さを変化させながら、ジョセフソン接合の臨界電流を測定した。BiNi間の距離が1マイクロメートル以上になると、Cuの部分は超伝導にはならないこと、逆に1マイクロメートル以内であれば、架橋するCu部分も超伝導状態になり、理想的なジョセフソン接合ができることが分かった。
またBiNi薄膜がp波スピン三重項超伝導であることを示すために、ジョセフソン接合ではなく、BiNi薄膜を細線にして、スピン輸送測定を行った。超伝導転移温度以上ではあるが、スピン緩和時間を算出することができた。
昨年度までに、BiNiの基本的な特性である、超伝導臨界電流やスピン緩和時間などの知見が得られたことから「(2)おおむね順調に進展している」を選択した。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、スピン蓄積を伝搬させるCuの先に、強磁性体細線を取り付け、非局所的に電流を流し、Cu細線にスピン蓄積を生じさせる。スピン蓄積が減衰するまでの距離の範囲内に、上述したBiNiジョセフソン接合を配置し、ジョセフソン接合の臨界電流を測定する。臨界電流のスピン蓄積依存性を観測することで、ジョセフソン接合の位相を調べることが可能となる。
さらに今年度は、BiNi薄膜がp波スピン三重項超伝導であることに着目した実験も行う。昨年度の研究では、超伝導転移温度以上のスピン緩和時間の測定を行ったが、今年度は超伝導転移温度より十分低い温度でスピン緩和時間を測定する。p波スピン三重項はスピンが揃ったクーパー対を形成するため、スピン偏極した状態と相性が良い。したがって、過去に申請者らが行ったs波スピン一重項と比べ、超伝導転移温度以下でのスピン緩和時間の飛躍的な増大が観測される。
最終的にはp波スピン三重項の特徴である超伝導ギャップの異方性を活かした、新しいジョセフソン接合を創製する。

  • Research Products

    (42 results)

All 2018 2017

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (39 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 7 results)

  • [Journal Article] Fabrication of thin films of two-dimensional triangular antiferromagnet Ag2CrO2 and their transport properties2018

    • Author(s)
      H. Taniguchi, S. Suzuki, T. Arakawa, H. Yoshida, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 8 Pages: 025010-1~6

    • DOI

      10.1063/1.5016428

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamics of pure spin current in high-frequency quantum regime2017

    • Author(s)
      S. Iwakiri, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 10 Pages: 053001-1~4

    • DOI

      10.7567/APEX.10.053001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large room temperature spin-to-charge conversion signals in a few-layer graphene/Pt lateral heterostructure2017

    • Author(s)
      W.-J. Yan, E. Sagasta, M. Ribeiro, Y. Niimi, L. E. Hueso, F. Casanova
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 8 Pages: 661-1~7

    • DOI

      10.1038/s41467-017-00563-y

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Detection of spin dynamics with spin current2018

    • Author(s)
      Y. Niimi
    • Organizer
      New Excitations in Spintronics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 二次元三角格子反強磁性体2018

    • Author(s)
      新見康洋
    • Organizer
      2017年度第3回スピントロニクス研究会
    • Invited
  • [Presentation] Strong suppression of spin Hall effects induced by spin fluctuations2018

    • Author(s)
      H. Taniguchi, T. Arakawa, T. Taniguchi, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      新学術領域「ナノスピン変換科学」2017年度年次報告会
  • [Presentation] Electric property of thin layer of high Tc superconductor Bi22122018

    • Author(s)
      S. Suzuki, M. Cosset-Cheneau, T. Kawakami, T. Arakawa, S. Miyasaka, S. Tajima, Y. Niimi, and K. Kobayashi
    • Organizer
      新学術領域「ナノスピン変換科学」2017年度年次報告会
  • [Presentation] 高周波量子領域における純スピン流のダイナミクス2018

    • Author(s)
      岩切秀一、則元将太、浅野拓也、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会(2018年)
  • [Presentation] スピン注入を目的とした円偏光マイクロ波生成技術の開発2018

    • Author(s)
      荒川智紀、則元将太、岩切秀一、浅野拓也、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会(2018年)
  • [Presentation] 高温超伝導体Bi2212薄膜の電気伝導特性2018

    • Author(s)
      鈴木将太、M. Cosset-Cheneau, 河上司、荒川智紀、宮坂茂樹、田島節子、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会(2018年)
  • [Presentation] 三角格子反強磁性体Ag2CrO2薄膜における磁気抵抗効果2018

    • Author(s)
      谷口祐紀、鈴木将太、荒川智紀、吉田紘行、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会(2018年)
  • [Presentation] Spin current as a probe to detect spin dynamics2017

    • Author(s)
      Y. Niimi
    • Organizer
      Collaborative Conference on Spin Dynamics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Extraordinary Hall effects and spin Hall effects in ternary alloy spin glasses2017

    • Author(s)
      H. Taniguchi, K. Yamagishi, T. Arakawa, T. Taniguchi, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      9th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (Spintech IX)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamics of pure spin current in high-frequency quantum regime2017

    • Author(s)
      S. Iwakiri, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      Interdisciplinary Symposium for Up-and-coming Materials Scientists (ISUMS2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electrical conduction of NbSe2 thin lm modulated by surface acoustic wave2017

    • Author(s)
      M. Yokoi, T. Kawamura, T. Arakawa, H. Fukuyama, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      Interdisciplinary Symposium for Up-and-coming Materials Scientists (ISUMS2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electrical conduction of NbSe2 thin lm modulated by surface acoustic wave2017

    • Author(s)
      M. Yokoi, T. Kawamura, T. Arakawa, H. Fukuyama, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      SAWtrain Summer School: Physics and applications of GHz vibrations in semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dynamics of pure spin current in high-frequency quantum regime2017

    • Author(s)
      S. Iwakiri, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      Nanophysics, from Fundamentals to Applications
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spin current as a probe to detect spin dynamics2017

    • Author(s)
      Y. Niimi
    • Organizer
      Nanyang Technological University (NTU) - Osaka University (OU) Joint Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electrical conduction of NbSe2 thin film modulated by surface acoustic wave2017

    • Author(s)
      M. Yokoi, T. Kawamura, T. Arakawa, H. Fukuyama, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      HKU-Osaka University Joint Symposium on Materials Science
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高周波雑音測定系の構築2017

    • Author(s)
      大島亜弓、岩切秀一、則元将太、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第62回物性若手夏の学校
  • [Presentation] 半導体2次元電子系に形成された量子ポイントコンタクトの伝導測定2017

    • Author(s)
      山下薫平、S.-H. Lee、横井雅彦、秦徳郎、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第62回物性若手夏の学校
  • [Presentation] Development of noise and high frequency measurement system2017

    • Author(s)
      A. Oshima, S. Iwakiri, S. Norimoto, T. Arakawa, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      第7回半導体量子効果と量子情報の夏期研修会
  • [Presentation] Josephson junctions fabricated with Bi/Ni bilayer film2017

    • Author(s)
      K. Iwashita, N. Kabeya, H. Taniguchi, T. Arakawa, Y. Niimi, K. Kobayashi, X.-X. Gong, D. Yue, X.-F. Jin
    • Organizer
      平成29年度「ナノスピン変換科学」研究会
  • [Presentation] Spin transport in superconducting Bi/Ni bilayers2017

    • Author(s)
      N. Kabeya, K. Iwashita, H. Taniguchi, T. Arakawa, Y. Niimi, K. Kobayashi, X.-X. Gong, D. Yue, X.-F. Jin
    • Organizer
      平成29年度「ナノスピン変換科学」研究会
  • [Presentation] Disappearance of spin Hall effect in spin glass state due to strong spin fluctuation2017

    • Author(s)
      H. Taniguchi, T. Arakawa, T. Taniguchi, Y. Niimi, K. Kobayashi
    • Organizer
      平成29年度「ナノスピン変換科学」研究会
  • [Presentation] Nano Spin Conversion in Atomic Layer Materials with Strong Spin-Orbit Interactions2017

    • Author(s)
      Y. Niimi
    • Organizer
      平成29年度「ナノスピン変換科学」研究会
    • Invited
  • [Presentation] Bi/Ni超伝導薄膜接合系の電気伝導測定2017

    • Author(s)
      岩下孔明、壁谷奈津紀、谷口祐紀、河村智哉、荒川智紀、新見康洋、小林研介、X.-X. Gong、D. Yue、X.-F. Jin
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 近藤領域にある量子ドットにおけるハンブリーブラウン・トゥイス実験の試み2017

    • Author(s)
      S.-H. Lee、山下薫平、横井雅彦、則元将太、秦徳郎、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 数原子層NbSe2薄膜におけるスピン輸送特性2017

    • Author(s)
      河上司、河村智哉、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] Bi2212薄膜の電気伝導度測定の試み2017

    • Author(s)
      鈴木将太、M. Cosset-Cheneau、河上司、荒川智紀、宮坂茂樹、田島節子、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 表面弾性波を用いた超伝導NbSe2薄膜の伝導特性の変調22017

    • Author(s)
      横井雅彦、河村智哉、荒川智紀、福山寛、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] CuMnBiスピングラスにおけるスピンホール効果の抑制2017

    • Author(s)
      谷口祐紀、荒川智紀、谷口年史、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 高周波雑音測定系の構築2017

    • Author(s)
      大島亜弓、岩切秀一、則元将太、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第5回インタラクティブ交流会
  • [Presentation] 表面弾性波を用いた超伝導NbSe2薄膜の伝導特性の変調2017

    • Author(s)
      横井雅彦、河村智哉、荒川智紀、福山寛、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第5回インタラクティブ交流会
  • [Presentation] スピン流と磁気揺らぎ2017

    • Author(s)
      新見康洋
    • Organizer
      平成29年度東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会「電荷とスピンの制御に基づく精密物性科学の構築とデバイス応用」
    • Invited
  • [Presentation] スピン流で観る物理現象2017

    • Author(s)
      新見康洋
    • Organizer
      2017年度キラル物性若手の会
    • Invited
  • [Presentation] Disappearance of spin Hall effect in spin glass state due to strong spin fluctuation2017

    • Author(s)
      谷口祐紀、荒川智紀、谷口年史、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22
  • [Presentation] 近藤領域にある量子ドットにおけるハンブリーブラウン・トゥイス実験の試み2017

    • Author(s)
      S.-H. Lee、山下薫平、横井雅彦、則元将太、秦徳郎、浅野拓也、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22
  • [Presentation] 数原子層NbSe2薄膜におけるスピン輸送特性2017

    • Author(s)
      河上司、河村智哉、荒川智紀、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22
  • [Presentation] スピン輸送測定に向けてのBi2212高温超伝導体薄膜の電気伝導度測定2017

    • Author(s)
      鈴木将太、M. Cosset-Cheneau、河上司、荒川智紀、宮坂茂樹、田島節子、新見康洋、小林研介
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22
  • [Presentation] Bi/Ni超伝導薄膜接合系の電気伝導測定2017

    • Author(s)
      岩下孔明、壁谷奈津紀、谷口祐紀、荒川智紀、新見康洋、小林研介、X.-X.Gong、D. Yue、X.-F. Jin
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22
  • [Presentation] Bi/Ni薄膜におけるスピン輸送測定2017

    • Author(s)
      壁谷奈津紀、岩下孔明、谷口祐紀、荒川智紀、新見康洋、小林研介、X.-X.Gong、D. Yue、X.-F. Jin
    • Organizer
      第22回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-22

URL: 

Published: 2018-12-17  

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