2019 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカルジョセフソン接合におけるアンドレーエフ及びマヨラナ状態の研究
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19H00867
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
石橋 幸治 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (30211048)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体超伝導体接合 / アンドレーエフ束縛状態 / マヨラナ束縛状態 / トポロジカル超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカル絶縁体と超伝導体の界面の形成される束縛量子状態としてアンドレーエフ束縛状態とマヨラナ束縛状態がありうる。とくに後者はトポロジカル量子ビットへの応用の観点から大変興味深い。本研究ではトポロジカル絶縁体として、２次元トポロジカル絶縁体であることが実験的にも明らかとなっているHgTe量子井戸と単層WTe2、さらに、スピン起動相互作用が強い半導体ナノワイア（InAs, PbTe）、高次のトポロジカルチャネルが形成されるBiナノワイアを取り上げ、超伝導体との接合を形成するデバイスプロセスの開発を行った。いずれの材料もデバイスプロセスが困難な物質であり、InAsナノワイア以外は特に空気中での劣化が激しいなど、プロセス技術の開発が困難である。InAsナノワイアに関しては、ユーリッヒ研究所との共同研究で、先方で真空を破ることなくナノワイアと超伝導体の接合を形成する技術が開発され、理研でジョセフソン接合を作成し、超伝導共振器と結合するプロセスなどを開発した。Biナノワイアにおいてはナノワイアを成長するための真空システムの立ち上げ、ジョセフソン接合を形成するためにアルミニウムとの接合や集束イオンビームを用いたタングステンのビーム誘起堆積を行った。HgTeはビュルツブルグ大学と共同で、やはり共振器中に設置する技術の開発を行った。最後に、単層WTe2について、これは層状２次元物質なので、hBNとの積層堆積プロセスを可能とするシステムの構築を開始した。
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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
本研究で取り扱うトポロジカル絶縁体物質はいづれも、空気中で容易に劣化する、表面に容易に酸化膜が形成される、やわらかいためプロセス途中で破壊される、など大変扱いにくい物質である。これらのうちでマヨラナ束縛状態が現れやすい物質を見つけ出し、トポロジカル量子ビットデバイスへの応用を目指す。デバイスプロセスに関して様々な困難に出くわしているが、それらの多くはおおよそ想定内であり、最適な物質を選別できる見通しが立っててきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
様々な物質に対してデバイスプロセスの開発を行っており、まずはジョセフソン接合を再現性良く形成し、直流特性を測定することによりジョセフソン接合に関する基本的な特性の測定を目指す。DCジョセフソン効果の測定が可能な試料に対しては、交流ジョセフソン効果の測定も行う。ジョセフソン接合の形成には、トポロジカル絶縁体と超伝導体との良好な界面の形成が必須である。半導体ナノワイアの場合には、ナノワイア表面に形成される酸化膜を除去する技術の開発が必要である。WTe2の単層膜は２次元のトポロジカル絶縁体として期待しており、コンタクトの形成、ゲート構造の形成など、ジョセフソン接合に必要なプロセス技術の開発を進める。他の材料においても良好な接合の形成には課題があるが、イオンビームやプラズマ処理などを試してゆきたい。
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