2019 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum Coherence in Topological Edge States
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19H00652
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
勝本 信吾 東京大学, 物性研究所, 教授 (10185829)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 彰 東京大学, 物性研究所, 助教 (20260515)
中村 壮智 東京大学, 物性研究所, 助教 (50636503)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / ヘリカル端状態 / 量子ホール効果 / カイラル端状態 / 量子ビット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子ホール端状態において，スピンと軌道が最大エンタングルした状態を作り出し，ここに進行波束を分配して挿入することで，スピンに関するユニタリー操作を行うことに成功した．従来行わて来たような単純な歳差運動に加え，スピンの天頂角を回転し制御する手法を開発し，このような波束を「飛行量子ビット」として使用することに道を開いた．更に2つの飛行量子ビットをエンタングルさせてベル不等式を検証するための実験セットアップを考案した．この実験にはショット雑音測定が必要であり，このような測定をするための低温増幅器を作製し，増幅素子やバイアス回路を改良することで従来よりも信号対雑音比を3倍以上改善することに成功した．この実験については，次年度に継続する予定である．
MoS2の2H絶縁体相表面にレーザーを照射して局所的に高温状態にすると，温度と時間によっては1T'相が得られるが，スピン軌道ギャップが開くため2次元トポロジカル絶縁体になっていることがわかった．レーザー照射によりトポロジカル絶縁体を2H絶縁体相上にパターニングできることになる．実際H型試料パターンを形成し伝導測定したところ，この相のヘリカル端状態のコヒーレンス長は長く，2 μm程度あることがわかった．この1T'状態に超伝導電極を貼り付け，近接効果超伝導によりヘリカルエッジ状態の超伝導や，トポロジカル超伝導の出現実験を継続中である．
nipi構造2重量子井戸においてスピン分裂によると思われる負性抵抗を観測していた領域で，強い高周波発振(50 MHz以上)を観測した．また，この負性抵抗と高周波発振は，室温でも生じることがわかった．実際には更に高い数百GHz程度での発振が生じていると考えられ，これを受信し分光するシステムの構築，また，強磁性体からスピン注入した場合の発振の変化測定を行っている．
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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
ほぼ計画調書に記したステップでの研究が進行している．GaSb/InAs系についても，研究内容の欄には書かなかったが，2次元電子-正孔系の作製には着手し，すでにいくつかの試料を得た．表面または背面からのゲート電圧により，電子正孔の割合を変化させる試料の作製を試みているところであり，こちらも順調に進んでいる．
全くの予想外であったのが，液体ヘリウム価格の高騰により消耗品費が他の物品費を圧迫したこと，また，予定備品のイオンクリーナが研究計画立案時に販売されていた細径のものが製造中止になり，太径のものはスパッタガンと干渉して挿入できないことが判明したことである．前者は研究費は常にぎりぎりで運用しており如何ともしがたく，一部の実験をNTT物性基礎研と共同で行うことで若干予定よりヘリウム使用量を下げることができた程度で，影響は避けがたいところである．後者については，現状のクリーナーの稼働率を上げて何とか対応し，いずれ必要となる来年度備品のマスクレス描画装置を先に購入した．結果的にはマスクレス描画装置の使用は非常に多く，こちらを先に購入する計画でも良かったことが判明した．クリーナーについては，他機種の探索，真空部品の増設による干渉回避など，時間を使って検討しており，来年度には購入し試料作製スピードを上げられると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初研究計画では，グラフェンに微粒子を修飾したトポロジカル絶縁体のヘリカルエッジ状態を使用する予定であったが，「概要」に記したように，MoS2へのレーザー照射によってより簡便かつスピン軌道ギャップの大きなトポロジカル絶縁体が得られることがわかり，こちらに材料を切り替えた系について，すでに超伝導体との結合系を作るトライを始めている．ただし，この方法にも様々な技術的問題があることが明らかになり，現在これらの解決に努めている．
ヘリウムの問題は，「進捗状況」にも記したが，コロナ禍において所内液化が最小量となり事実上使えなくなったことで更に深刻になっている．今後のことも鑑み，ヘリウム不要の比較的高温の現象の研究にも進む必要性に迫られている．その一つとして，研究計画書でも触れた2重量子井戸の高周波発振について，外部回路によるものではない発振の探索を始めており，発振を捉えられれば，疑似ヘリカルエッジ状態へのスピン注入効果と高周波発振の関係についての研究に進む予定である．これは当初の研究目的にも沿ったものであると考える．
GaSb/InAs系については，InAs２次元系の研究で，自然端状態がトポロジカル端状態の伝導に影響を与えかねないという結果が得られており，当該系の測定を進めつつ，その影響を消失させるための技術研究も同時に行っていく予定である．また，ディスクチェーン系の作製も開始する予定である．
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