2021 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum Coherence in Topological Edge States
| Project/Area Number |
19H00652
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
勝本 信吾 東京大学, 物性研究所, 教授 (10185829)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| 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 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
新型コロナによる一部機器利用の困難を避け，スピン分離量子ホールエッジの研究に注力した．特に，実験を重ねてコーナーを周る際のスピン回転については，高い再現性を得た．
これを量子力学的にコヒーレントで非断熱的な過程による状態遷移で理論的に説明するため，再帰グリーン関数法を用いたシミュレーションを行い，実験を良く再現する結果を得た．かねてより予想していた通り，結晶が持つスピン軌道相互作用はスピン回転現象に必要ではあるが，その大きさは，いわゆる「スピン軌道系」の2次元系ほどの必要はなく，強磁場中でも十分スピン回転ができる，という強力な理論的根拠を得ることができた．
干渉計を構成した場合の量子コヒーレンスは干渉による振動振幅によりある程度の情報が得られるが，量子回路の構成上，分岐と量子操作を加えた後に観測を行う場合，干渉計を組むのが実験的に困難である．このような場合に一定の情報が得られるのがショット雑音であり，前年から高感度測定用の低温プリアンプの開発を進めていたが，従来より1桁高い信号対雑音比を持つアンプの実現に成功し，Rev. Sci. Inst.に論文を発表した．この測定系を用いて，エッジ状態の飛行量子ビットのショット雑音を測定し，低バイアス領域ではハーフミラー分岐後も，コヒーレンスが保たれていることを確認した．この測定の際，高バイアス領域で，バイアス符号に対して非対称な異常デコヒーレンス現象を見出した．これは，バイアスによるエッジ状態の非対称な空間接近によるものと考えられる．更に，核スピン偏極の効果も現れていることが判明した．以上の成果については，論文原稿にまとめた段階である．
また，超伝導電流制御についても，原稿をまとめた段階である．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
所期の目標であったトポロジカル絶縁体のヘリカル端状態を使った量子操作へ向けても基礎技術的には着実に進めることができている．ただし，予定よりは遅延している．一方，こちらが予定通りに進まなかった場合に備えて準備していた量子ホール端状態のスピン操作については，計画以上の大きな進展があった．また，これを受けて，ヘリカル端状態を使用した量子操作についても新たな展望が得られている．
ヘリカル端状態の研究が遅延している最大の理由は，試料の歩留まりが悪く，良い結果が得られるまでに，幾つも試料を作る必要があることである．最近，プロセスを行う前に表面をAFM観察することで，薄膜の質を吟味し，歩留まりを上げることに成功した．これにより，量子ホール端状態で得られた知見を応用しやすくなることが期待される．
また，昨年度は，本研究に従事していた学生およびスタッフが，年度末に他研究機関に異動した．このために論文発表の時間が取りにくくなっていたが，それぞれ新しい研究機関で研究継続し，論文発表を順次行う計画になっている．
以上より，概ね順調に進展していると判断する．
|
| Strategy for Future Research Activity |
「検証」の部分にも書いたが，今年度は最終年度として，これまでの研究成果を論文発表していくのが，重要な目標である．
予定以上の成果が出ている量子ホール端状態については，最後に極めて大きなチャレンジである2量子ビットの相関を取り，ベル不等式の検証を行う実験にトライする．このために新たなデバイス構造を設計し，ショット雑音ではなく静的測定での検出を考える．ショット雑音はもちろん，有力な手段ではあるので，こちらでの検証実験の可能性は残す．
量子ホール端状態での知見から，トポロジカル絶縁体では，従来の提案実験に加えてエッジ形状変化によるスピン反転散乱の可能性について実験を行う．これはこれまでのこの系に関して蓄えた技術の中で十分に実験可能なものであり，新しい知見が得られる．これは，この系での量子コヒーレンス実験を推進する上でも重要なものになる．
コロナによる制限も解除されつつあり，ストップしていたMoS2のレーザー照射によるトポロジカル絶縁体量子ドットの実験も可能であれば再開する．
|
Research Products
(9 results)
