2020 Fiscal Year Annual Research Report
磁性体および半導体複合素子を用いたトポロジカル超伝導の研究
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20H01835
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中村 壮智 東京大学, 物性研究所, 助教 (50636503)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導接合 / 二次元電子系 / 半導体 / スピン軌道相互作用 / トポロジカル絶縁体 / ジョセフソン効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では半導体や磁性体に超伝導体を接合した複合素子によってトポロジカル超伝導を創出し、それを観測することを目指している。
本年度はまず初めに非対称な厚みを持つInGaAsに挟まれたInAs量子井戸中の二次元電子系を細線状に加工しNbやNbTiなどを接合した超伝導接合に磁場を印加することで一次元トポロジカル超伝導を作り出すことを試みた。基板、試料形状、接合方法を変えて接合を作成したが、これらの接合では十分な大きさの超伝導を磁場中で維持することが困難であることが判った。これは使用した半導体ヘテロ構造中のスピン軌道相互作用が磁場中で超伝導を保持するに足る大きさがないことが原因と考えられた。そこでこの問題を解決するため、スピン軌道相互作用の大きい二次元トポロジカル絶縁体であるGaSb/InAs複合量子井戸のヘテロ構造基板の作成を試みた。ベースとなる基板をGaAsだけでなくInPやGaSbなどいくつか変えて作成した結果、伝導度のゲートおよび磁場依存性がトポロジカル絶縁体で予想されるものと同様の性質を示す基板を作成することができた。ただし伝導度の量子化が不完全であることから二次元系の膜質があまりよくないと考えられること、基板の絶縁性が悪く超伝導体を接合した際に量子井戸以外の部分の伝導が無視できないこと、ゲート絶縁膜の品質が安定せずリークが大きいことなどから、超伝導接合作成のためにはヘテロ構造基板の品質をさらに向上させる必要があることが判った。
また、近接効果超伝導の電気的性質について、超伝導体Nbを接合したInAs細線の伝導度のバイアス、温度依存性を解析し、数値計算とも併せてその性質を調べた。その結果、バルクの超伝導体を介さない場合、ゼロギャップの近接効果超伝導ではクーパー対は細線の伝導度に寄与せず、準粒子状態密度の低下によって全伝導度はむしろ下がることが判った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
計画時にはInAs量子井戸における二次元電子系を用いる予定であったが実験の結果必要な大きさのスピン軌道相互作用が得られないことが判ったため、それを改善するためのスピン軌道相互作用の強いGaSbを用いた複合量子井戸基板の作成に取り組んだ結果、完全ではないものの二次元トポロジカル絶縁体となっている基板が得られ、超伝導接合作成の目途が立った。また近接効果によるトポロジカル超伝導の伝導解析において重要な近接効果超伝導の電気的性質についても明らかにすることができた。トポロジカル超伝導では近接効果ギャップが必要なため、引力相互作用がない半導体基板中では近接効果があってもトポロジカル超伝導は作れない。そのため基板の選定が重要であるという知見も得られた。
一方で、もう一つ計画していた磁性半導体を用いた超伝導接合についてはパンデミックによって緊急事態宣言が発令されたことによる大学の活動制限と装置の不調によって作成が遅れている。年末には共同研究先から試料の供給を受けいくつか超伝導接合を作成したものの、磁性半導体そのものが絶縁化してしまっていたため、超伝導電流は観測できていない。これについてはその後再作成を依頼し、装置の修復を含めた基板の再作成に時間がかかったため、本格的な始動は2021年度に延期した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はGaSb/InAs複合量子井戸を持つ半導体ヘテロ構造基板の品質向上を行い、これを用いた超伝導接合を作成しトポロジカル超伝導の創出を目指すのと、磁性半導体InFeAsを用いた超伝導接合の作成とそれを用いたトポロジカル超伝導の観測を目指す。
まずは磁性半導体InFeAsを用いた超伝導接合の作成である。これについては装置の修復は終了しており、ヘリウム温度まで金属的な試料が再び得られるようになっており、基板の提供も受けている。これに細線状の超伝導電極を蒸着し、一次元的に超伝導領域を形成することで一次元トポロジカル超伝導とする。このとき蒸着する超伝導体の形状を変えることで、1次元な近接効果超伝導と2次元的な近接効果超伝導とできるため、次元性によって超伝導の性質がどのように変化するのかを調べる。またトポロジカル超伝導になっているかどうかは接合の伝導度の高周波応答からジョセフソン効果の周期を調べこれによって判断する。
また、GaSb/InAs複合量子井戸基板の品質向上はこれと同時に進め、十分な品質の二次元膜が得られればこれを用いて超伝導接合を作成し、トポロジカル超伝導の創出に取り組む。トポロジカル超伝導にはいくつか種類があるが、まずはInAs量子井戸で成功した経験のあるメサ両端に超伝導体を接合する構造を作成し、その接合端に生じるマヨラナ粒子をトンネル伝導度測定によって観測することを目指す。
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