2019 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 | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
松尾 貞茂 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 (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 |
本年度はまず、二重ナノ細線ジョセフソン接合における超伝導輸送特性の評価を行った。その結果、シャピロ階段測定において、半整数の量子化電導度値に異常な階段が出現することが分かった。再現性を確認するために単一ナノ細線においても同様の実験を行い、半整数シャピロ階段を得た。その後、温度依存性とゲート電圧依存性の調査を行い、半整数のシャピロ階段が細線内での電子の弾道的な輸送に起因することを見出した。弾道的な細線の場合に期待される電流位相関係を用いた数値計算によりこの半整数シャピロ階段が再現することも確認した。これは、細線での弾道的な輸送により接合のダイナミクスに半整数シャピロ階段という特徴的な振る舞いが現れることを示した初めての実験結果である。
また、この単一接合細線において、超伝導電流がある磁場以上で増強する現象を見出した。また、増強が起きる磁場付近で多重アンドレーエフ反射も異常な振る舞いを示すことがわかった。これは、ナノ細線ではなく超伝導体の磁場特性に依存した現象であることを示唆しており、先行研究が提案しているマヨラナ粒子起因というシナリオを否定しているのではないかと考えられる。
さらに、選択的成長法によりつくられた二重ナノ細線デバイスの微細加工を行い、超伝導接合デバイスの作製工程を確立した。
加えて、1次元電子系における電子相関とスピン軌道相互作用の相関に関する物理の探求のため、新たにGe細線の研究を始めた。Ge細線はキャリアが正孔になっており、伝導帯におけるスピン軌道相互作用よりも大きな効果が期待される。今年度はGe量子井戸からホールバーの加工を行い、その評価を行った。
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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
これまでに明らかになっていなかったナノ細線における弾道性と接合のダイナミクスの関係を半整数シャピロ階段の測定により明らかにした。これは超伝導接合における普遍的な特性の一つであり、当初期待した結果ではないものの重要な意義をもっている。また、磁場依存性の異常に関しても新たな発見があり、ジョセフソン接合の物理を確立するために必要な実験結果が得られてきている。これは研究が進展していることを示す如実な結果である。さらに、SAGデバイスやGe細線の実験などにも着手しており、どちらに関しても微細加工工程や基礎特性評価などは順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度はまず、本年度発見した半整数に出現するシャピロ階段について、理論的な検討を進める。特に、二重ナノ細線接合などでマヨラナ粒子が発現した際に奇数番目のシャピロ階段が消失するが、もし細線が弾道的であったならば半整数シャピロ階段も同時に出現する可能性がある。これを検討することで、マヨラナ粒子の検出にとって細線の弾道性がどのような重要性を持つのかを解明する。
また、本年度得られた単一ナノ細線ジョセフソン接合の磁場依存性に見られる異常について、より詳細な実験データの蓄積を行い、それを基に、この現象の起源が電子間相互作用と関連があるのか明らかにすることを目指す。
さらに、二重ナノ細線接合に関しては、選択的成長法（SAG）によって作られたナノ細線デバイスにおいて超伝導接合を形成し、超伝導電流の観測とそのゲート制御を行い、クーパー対分離の検出と評価を行う。これにより、分離における電子間相互作用の役割を定量的に解明する。
また、Geに関する研究も進め、Ge細線のにおける電子相関の定量評価を行う。
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Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Dominant nonlocal superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire2019
Author(s)
[Kento Ueda,Sadashige Matsuo,Hiroshi Kamata,Shoji Baba,Yosuke Sato,Yuusuke Takeshige,Kan Li,Sテカren Jeppesen,Lars Samuelson,Hongqi Xu,Seigo Tarucha]
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Journal Title
Science Advances
Volume: 5
Pages: eaaw2194
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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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テクm,Yasuhiro Tokura,Daniel Loss,Seigo Tarucha]
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 99
Pages: 155304
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Tomonaga-Luttinger liquid behavior in wires on an InAs Quantum well holding strong spin-orbit interaction2020
Author(s)
[佐藤 洋介, 松尾 貞茂, C.-H. Hsu, P. Stano, 武重 有祐, 鎌田 大, J. S. Lee, B. Shojaei, K. Wickramasinghe, J. Shabani, C. Palmstrom, 都倉 康弘, D. Loss, 樽茶 清悟]
Organizer
New Perspective in Spin Conversion Science (NPSCS2020)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Strong electron-electron interactions of a Tomonaga-Luttinger liquid observed in wires formed on InAs quantum well2019
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
New materials and structures in topological and correlated systems (Gordon research conference)
Int'l Joint Research
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