トポロジカル絶縁体／超伝導体接合に形成されるマヨラナ粒子の検出と制御

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K23415
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 井上 悠 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90843342)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2021-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体

Outline of Annual Research Achievements

トポロジカル絶縁体と超伝導体との接合に形成されるマヨラナ粒子は、超高速な情報処理が可能な量子計算への応用が期待されている。現時点では、この接合に形成されるマヨラナ粒子を探索している状況で安定性評価も不十分であり、演算のための操作手法も未確立である。本研究では、トポロジカル絶縁体と超伝導体との接合を作製し、電気的な手法で評価を行うことで、マヨラナ粒子の観測を確たるものにしつつ、制御手法の提唱に繋げることを目的とする。また、マヨラナ粒子の量子計算応用に資する素子を作製するためには、トポロジカル絶縁体の金属性の制御が重要である。これは、トポロジカル絶縁体内部のバルクキャリアがマヨラナ粒子の生成を阻害するためである。そこで本研究では、まず、トポロジカル絶縁体に化学ドープを施すことでフェルミレベルの制御を行って、バルクキャリアを抑制してから、素子の作製を行う。
この研究の方針を踏まえて、2019年度は以下の研究を実施した。
①2019年度は　ベースとなるトポロジカル絶縁体薄膜の作製を行った。分子線エピタキシー法で原料となる単体元素を超高真空中で蒸発させて、半導体単結晶基板上に堆積した。成長条件の最適化のためにX線回折測定で結晶性の評価と原子間力顕微鏡で表面平坦性の評価を行った。次に作製したトポロジカル絶縁体薄膜に化学ドープを行い、電気抵抗の温度依存性を測定することで、トポロジカル絶縁体の金属性の制御を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

現在は本研究で作製したトポロジカル絶縁体と超伝導体を組み合わせて微細加工を施した素子の作製を行っているところである。しかし、リソグラフィーのプロセスに問題があり、素子の細かい構造が設計通り作製できず、素子の作製に当初予定より時間がかかってしまっている状況である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、2019年度に作製したトポロジカル絶縁体と超伝導体を組み合わせて微細加工を施した素子の作製を行っていく。しかし、素子の構造を数百ナノメートルの精度で制御して素子を作製する必要があり、当初計画していた方法のみではうまく作製できないことが明らかになった。そこで、使用するレジストの種類や、プロセス手順を見直すことで素子を実現していく予定である。
作製した素子をクライオスタットで冷却し、低温で電気的手法によって評価を行う。素子が想定通りの挙動をするかを評価し、うまく動作しない場合は素子の作製方法を見直して再度素子を作製することを行う。

Causes of Carryover

当初、電気測定用の測定装置を2019年に購入予定だったが、素子作製プロセスに時間がかかり、プロセス最適化のための共同利用施設利用料が予算状況を圧迫したため、2019年度の購入は見合わせた。2020年度に電気測定を行う予定であり、測定装置の購入のために次年度予算と次年度使用額を合わせて執行を行う計画である。