2021 Fiscal Year Annual Research Report
Electrical and optical creation and control of non-Abelian anyons
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19H05610
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
樽茶 清悟 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, グループディレクター (40302799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ロス ダニエル 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, チームリーダー (00524000)
ディーコン ラッセル 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (40552443)
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) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 非可換エニオン / トポロジカル超伝導 / マヨラナ粒子 / 励起子ポラリトン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度得られていた非局所ジョセフソン効果の研究を発展させた。電流位相関係の評価を行い、接合同士のコヒーレント結合によって異常ジョセフソン効果が発現することを見出した。さらに、非相反超伝導電流の検出にも成功した。また、トンネル分光測定を行い、二つの単一ジョセフソン接合が結合した際にアンドレーエフ状態が大きく変調されることを発見した。さらに、昨年度までに得られていた磁場中での超伝導電流増大の測定結果について、磁場に誘起された磁束渦による準粒子捕捉によって電子温度が低下することに起因することを解明した。
Pdコンタクトにスタンプした多層膜WTe2の超伝導接合形成について、180度以上の熱処理でPdが拡散し、超伝導体であるPdTeが形成されることにより超伝導が発生することを確認した。また、単層膜のWTe2において、電気ゲートによる超伝導領域の形成により、ジョセフソン接合デバイスの動作に成功し。交流ジョセフソン効果の観測により、弱い結合が確認された。最後に、2020年度に開発したフリップチップ空洞に結合したInAsジョセフソン接合rf-SQUIDの詳細な実証研究を行った。
さらに、励起子-ポラリトン用の1次元動的光格子の実験を行った。その結果、自由キャリアと励起子リザーバーの空間変調により、強固なポラリトン帯域構造が形成されることを見いだした。格子をマイクロ波で変調すると、ポラリトン凝縮は最大8GHzで応答し、バンドの傾きが観測され、フロケモデルで説明されることがわかった。また、プロトン注入法により集積型格子試料も作製した。
半導体中の一次元らせん液体の輸送特性を解析した。既存の実験結果と理論を比較することに重点を置き検討すると、実験結果には矛盾していると思われるものもあった。また、なぜ十分に量子化されたコンダクタンスの観測が実験的に困難であったのかについての議論を行った。
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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
昨年度得られたナノ細線での非局所ジョセフソン効果の結果を発展させることで、ジョセフソン接合同士の近距離コヒーレント結合に起因した電流位相関係の評価や、その応用である異常ジョセフソン効果、非相反超伝導電流の観測に成功しており、さらに微視的機構であるアンドレーエフ分子の検出にも成功している点で、順調に研究が進展している。さらに、磁場による超伝導電流の増大はマヨラナ粒子起因とされていた現象であるが、これがトポロジカル物理に起因しないことを解明し、マヨラナ粒子探索の研究に大きな貢献を行った。
単層WTe2デバイスで初めてジョセフソン効果の検出に成功したことは、当初の計画より若干遅れたものの、重要な目標に到達したことを意味する。これにより、ジョセフソン接合の磁気応答およびマイクロ波応答のさらなる研究への扉が開かれた。フリップチップマイクロ波検出スキームがうまく機能することが実証され、プロジェクトの他のシステムの研究にも利用できるようになった。
高速光フロッケエンジニアリングの成果により、励起子-ポラリトンのいくつかの新しいトポロジカル相を観察する良い舞台が整っている。この新しい技術は、非線形トポロジカルフォトニクスにおけるポラリトンシステムのもつ機能を、当初の提案を拡張するものである。さらに、ポラリトン／光子ダイナミクスへの影響を推論するために、フロケ非エルミートモデルについて行っている予備的な理論結果は、頑健なトポロジカル光学状態、そしておそらく光学エニオン達成に必要な実験制約を大幅に緩和する余地がある。
我々が研究したヘリカル液体は、ナノスケールでトポロジカルに保護された電荷とスピンの輸送を実現し、量子計算のためのマヨラナモードやパラフェルミオンモードを生成する舞台となる。このため、理論観点からの実験結果との比較はマヨラナモードの実証に大きく貢献するものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は平面ジョセフソン接合を用いた研究を発展させ、ゼーマン効果が引き起こす異常ジョセフソン効果や面内磁場による平面ジョセフソン接合のトポロジカル転移についての実証に関する実験を進める。
WTe2のフレークのゲート制御では成功を収めているが、オーミックコンタクトが測定には必要となっているため、超伝導回路に組み込むことはできない。そのため、別のコンタクト形成方法が必要です。そこで、グローブボックス内で単層フレークをその場で接触させ、その後、EBレジストの層でフレークを保護して加工し、最終的に不活性雰囲気中で洗浄し、計測を行う方法を開発する。この方法により、フレークを金属超伝導体と直接コンタクトさせ、フレークをフリップチップ共振器に実装することができるようにする。
重要な新技術の開発と励起子-ポラリトンの光学的駆動による縦方向と横方向のダイナミクスの理解により、（a）トラッピングポテンシャルにおける光学回転、（b）揺れる1次元光格子、（c）2次元光格子へと拡張する。これは、この研究計画の方向性を若干変更したものですが、最終目標は同じであり、統合された光格子の製作が進めば、動的および静的ポテンシャルを組み合わせて、トポロジカルフォトニック結晶でより多くの機能を実現できるようになることが期待される。
ねじれた2層グラフェンにおける電子相を調べ、これを相互作用する量子細線の2次元ネットワークとして記述する。どのような条件を満たせば、実験で観測された量子異常ホール状態に似た、ある分数充填のギャップレスカイラルエッジ状態をもつ絶縁体バルクになるのかを理解することを目指す。
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[Journal Article] Te-doped selective-area grown InAs nanowires for superconducting hybrid devices2022
Author(s)
Pujitha Perla, Anton Faustmann, Sebastian Kolling, Patrick Zellekens, Russell Deacon, H. Aruni Fonseka, Jonas Kolzer, Yuki Sato, Ana M. Sanchez, Oussama Moutanabbir, Koji Ishibashi, Detlev Grutzmacher, Mihail Ion Lepsa, and Thomas Schapers
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Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 6
Pages: 024602, 1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] ナノスケール単層WTe2デバイスの作製手法の検討2022
Author(s)
M. Hosoda, R.S. Deacon, R.D. Michael, 岡崎 尚太, 笹川 崇男, 谷口 尚, 渡邊 賢司, M. Ohtomo, K. Kawaguchi, 土肥 義康, S. Sato, K. Ishibashi
Organizer
2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
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