2018 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental study of one-dimensional electron systems with strong spin-orbit interaction and the superconducting junction
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18H01813
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
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) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 朝永ラッティンジャー液体 / スピン軌道相互作用 / スケーリング / 超伝導接合 / マヨラナ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は高移動度InAs量子井戸から切り出した量子細線の電流‐電圧関係を温度、ゲート電圧（電子密度）を変えながら測定した。その結果、TLLの特性として知られる普遍的スケーリング関係を得た。さらに、TLLの理論式を用いてTLLパラメータを評価した。その結果、通常のスピン軌道相互作用を持たないTLLで期待されるTLLパラメータの理論予測と実験結果が一致することがわかった。これは強いスピン軌道相互作用はほぼTLL特性に影響を与えていないことを意味しており、非常に重要な実験的示唆である。また、InAsでは非常に小さなTLLパラメータをもつことがわかった。これはInAs細線が強い電子相関を持っており、下記のクーパー対分離の高効率化にとって良い実験舞台となることを意味する。
さらに、自己形成型のInAsナノ細線二本と超伝導体の接合の加工技術を用いて二重細線のジョセフソン接合を作製し、超伝導電流の測定を行った。その結果、それぞれの単一細線で流れる超伝導電流の和よりも二重ナノ細線に流れる超伝導電流が大きくなっていることがわかった。これは、クーパー対分離により超伝導体間を運ばれる電流の存在を意味している。これまでの先行研究とは異なり伝導度はプラトー構造を示しており、弾道的な輸送特性での分離のはじめての検証に成功した。さらに、クーパー対分離は局所対トンネルよりも効率よく起きていることが分かった。さらに、磁場依存性から分離成分が局所成分の1/2の磁場で焼失することも分かった。これらの結果は無磁場で二重ナノ細線にマヨラナ粒子を実現可能であることを示している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高移動度InAs量子井戸から形成した量子細線においてTLLパラメータの評価と理論との比較を行うことに成功した。その結果、スピン軌道相互作用があまり大きな影響をTLLに対して持たないこと、InAs細線が強い電子相関を持つことが実験的に明らかになった。これにより、実験的な側面からは一つ目の提案は解明された。今後理論的なスピン軌道相互作用を持つTLLの輸送特性の解明が必要となる。
また、二重ナノ細線でのクーパー対分離現象に関しても弾道的な輸送特性を持つデバイスにおいて高効率の分離現象の実証に初めて成功した。この結果は、電子相関により1次元系でも高効率のもつれスピン対の形成がクーパー対分離により可能となることを意味するだけでなく、将来的にこの二重ナノ細線を用いたマヨラナ粒子の実現が可能であることを示唆する結果であり、非常に重要な意義を持っている。この結果が達成されたことは、本研究計画で提案していた超伝導接合に関する事項に関して大きく前進したことを意味している。また、磁場依存性が分離成分と局所トンネル成分で異なるというこれまでにない新たな現象も発見した。この結果に関しては現在起源に関する考察を行っており、今後詳細を検討する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、強いスピン軌道相互作用を持つTLLの研究については、理論的に実験結果を説明可能であることを調べ、実験結果とのより詳細な比較を行う。さらに、単一の細線に関する特性評価はほぼ終了したため、次に強いスピン軌道相互作用をもつ結合二重細線の特性を調べたい。そのためにはゲート電圧により細線を形成すること、また細線間の結合を電気的に制御することが必要となるため、次年度はまずInAs量子井戸上に二重細線をゲート電圧により形成すること、またその制御を行うことを目標とする。
また、二重ナノ細線におけるクーパー対分離に関しては、超伝導体直下のナノ細線部分（近接領域）のゲート制御を行うためのデバイスの作製とその制御を行い、分離機構がどのように変化するのかを解明する。この近接領域のゲート制御により、細線の化学ポテンシャルを変調することができるため、無磁場でのマヨラナ粒子の実現に必要な条件を達成可能となる。また、上記のInAs量子井戸上に形成する二重細線に関しても、超伝導接合を用いてトポロジカル超伝導を実現可能であるかを検討する。
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Research Products
(31 results)
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[Journal Article] Strong Electron-Electron Interactions of a Tomonaga--Luttinger Liquid Observed in InAs Quantum Wires2019
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 Palmstr?m, Yasuhiro Tokura, Daniel Loss, Seigo Tarucha
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Journal Title
Physical Review B
Volume: accepted
Pages: accepted
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dominant non-local superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire2018
Author(s)
Kento Ueda, Sadashige Matsuo, Hiroshi Kamata, Shoji Baba, Yosuke Sato, Yusuke Takeshige, Kan Li, Soren Jeppesen, Lars Samuelson, Hongqi Xu, Seigo Tarucha
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Journal Title
arXiv
Volume: 1810
Pages: 04823
Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Strong Electron-Electron Interactions of Tomonaga?Luttinger Liquid observed in InAs Quantum Wires2018
Author(s)
Yosuke Sato,Sadashige Matsuo, Chen-Hsuan Hsu, Kento Ueda, Yuusuke Takeshige, Hiroshi Kamata, Joon Sue Lee, Borzoyeh Shojaei, Javad Shabani,Chris Palmstr?m,Yasuhiro Tokura,Peter Stano,Daniel Loss,and Seigo Tarucha
Organizer
8th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
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[Presentation] Quantum state conversion from a single photon polarization to a single electron spin using spinresolved light hole excitation2018
Author(s)
K. Kuroyama , S. Matsuo, M. Larsson , K. Heya , J. Muramoto , T. Fujita , S.R. Valentin , A. Ludwig , A.D. Wieck , A. Oiwa , S. Tarucha
Organizer
34th International Conference on the Physics of Semiconductors
Int'l Joint Research
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[Presentation] Tomonaga-Luttinger liquid behaviour in 1D electron system fabricated from InAs Quantum well holding strong spin-orbit interaction2018
Author(s)
Yosuke Sato, Sadashige Matsuo, Chen-Hsuan Hsu, Peter Stano, Daniel Loss, Kento, Ueda, Yuusuke Takeshige, Hiroshi Kamata, Joon Sue Lee, Borzoyeh Shojaei, Javad Shabani, Christopher Palmstrom, Yasuhiro Tokura, Seigo Tarucha
Organizer
34th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2018)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Evaluation of Josephson Vortex Core Size Induced in Corbino-geometry Josephson Junctions2018
Author(s)
Matsuo Sadashige , Tateno Mizuki , Sato Yosuke, Ueda Kento, Takeshige, Yusuke, Kamata Hiroshi, Lee Joon Sue, Shojaei Borzoyeh, Palmstr?m Christopher J. , Tarucha Seigo,
Organizer
20th International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN)
Int'l Joint Research
