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

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K23415
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 井上 悠 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (90843342)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2022-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / ジョセフソン接合

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、トポロジカル絶縁体と超伝導体のジョセフソン接合に形成されると考えられている、量子力学的な「マヨラナ粒子」を観測することを通して、物質中のマヨラナ粒子を利用した情報処理技術のための基礎技術を開拓することを目的としている。物質中のマヨラナ粒子を観測するためには、接合の電気抵抗がゼロとなるジョセフソン効果の観測が前提条件となるために、接合素子を作製して、ジョセフソン効果を観測することに取り組む。
最終年度となる2021年度は、2020年度までに確立したトポロジカル絶縁体と超伝導体の接合作製技術で作製した、ジョセフソン接合素子の電気特性評価を行った。温度3 K以下で、電気抵抗がゼロとなる非散逸伝導を観測し、ジョセフソン効果の観測に成功した。興味深いことに、化学ドープを行って、トポロジカル絶縁体のフェルミレベルを制御した素子を用いて、同様の測定を行ったところ、温度2 Kまで素子を冷却しても非散逸伝導は観測されなかった。従来、トポロジカル絶縁体のフェルミレベルを制御した素子の方が物質中のマヨラナ粒子の観測に有利であると考えられてきた。本研究結果は物質中のマヨラナ粒子の観測と、その前提条件となるジョセフソン効果の条件について洞察を与えることで、物質中のマヨラナ粒子を利用した応用技術のための基礎技術開拓に貢献する。
今後の研究展開として、本研究成果で得られた知見と、トンネル分光等、接合に形成される準粒子状態を観測する測定手法を組み合わせることで、物質中のマヨラナ粒子の揺るぎない観測と制御方法の確立につながると考える。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: マサチューセッツ工科大学
• [Journal Article] Evidence of two-dimensional flat band at the surface of antiferromagnetic kagome metal FeSn (2021)
  • Author(s): Minyong Han, Hisashi Inoue, Shiang Fang, Caolan John, Linda Ye, Mun K. Chan, David Graf, Takehito Suzuki, Madhav Prasad Ghimire, Won Joon Cho, Efthimios Kaxiras, Joseph G. Checkelsky
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 5345
  • DOI: 10.1038/s41467-021-25705-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Tunneling spectroscopy of thin film antiferromagnetic kagome metal (2022)
  • Author(s): 井上 悠, Minyong Han, Shiang Fang, Caolan John, Linda Ye, Mun K. Chan, David Graf, 鈴木健士, Madhav Prasad Ghimire, Won Joon Cho, Efthimios Kaxiras, Joseph G. Checkelsky
  • Organizer: 令和3年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] カゴメ金属ヘテロ構造に形成される二次元フラットバンドの観測 (2022)
  • Author(s): 井上 悠, Minyong Han, Shiang Fang, Caolan John, Linda Ye, Mun K. Chan, David E. Graf, 鈴木健士, Madhav Prasad Ghimire, Won Joon Cho, Efthimios Kaxiras, Joseph G. Checkelsky
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Chemical doping studies on thin film antiferromagnetic kagome metal FeSn (2022)
  • Author(s): Minyong Han, Caolan John, Madhav P Ghimire, Shiang Fang, Manuel Richter, Hisashi Inoue, Efthimios Kaxiras, Joseph G Checkelsky
  • Organizer: APS March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子線エピタキシー法によるSrMnBi2薄膜の単一ドメイン成長 (2021)
  • Author(s): 塩貝純一, 高橋翔, 井上悠, 伊藤俊, 木村尚次郎, 淡路智, 塚﨑敦
  • Organizer: 第140回金研講演会
• [Presentation] Planar Schottky tunneling spectroscopy of antiferromagnetic kagome metal FeSn (2021)
  • Author(s): Minyong Han, Hisashi Inoue, Shiang Fang, Caolan John, Linda Ye, Mun K. Chan, David E Graf, Takehito Suzuki, Madhav Prasad Ghimire, Won Joon Cho, Efthimios Kaxiras, Joseph Checkelsky
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research