2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of novel quantum devices utilizing thin film topological superconductors
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20J20229
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
徳田 将志 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | トポロジカル超伝導体 / メゾスコピック系 / 量子干渉効果 / 量子化磁束 / 近藤効果 / 数値くり込み群 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、薄膜のトポロジカル超伝導体に焦点を当てています。薄膜物質であれば、微細加工によって人工的にデザインしたメゾスコピック系の素子に組み込むことが可能です。メゾスコピック系とは、数ナノ～数マイクロメートル程度の微小な系のことで、量子力学的な効果を人工的に制御しながら観測することができます。メゾスコピック系の素子を用いることで、輸送測定から超伝導秩序変数の情報が取得できます。
トポロジカル超伝導体にはカイラル超伝導体とヘリカル超伝導体の2種類が存在します。本研究課題では、メゾスコピック系の素子においてそれぞれに特有の輸送現象を観測することでトポロジカル超伝導体の新しい分類方法を確立し、それらの物性を人工的に制御することを目指しています。
令和３年度はBi/Ni薄膜超伝導体を微細加工してリング型素子を作製し、電気輸送測定を行いました。超伝導体をリング状に加工すると、超伝導リングを貫く磁束は磁束量子の整数倍に量子化されます。実験では、量子化した磁束がリングを出入りする際に、印加している磁場に対してリングの抵抗が周期的に振動する現象として観測できます。その振動の位相は超伝導秩序変数の種類によって異なります。Bi/Niのリングと従来型超伝導体であるNbのリングを同時に測定して磁場に対する抵抗の振動を比較したところ、Bi/Niの抵抗振動はNbと異なり、さらにBi/Niの振動の位相が磁場の領域によって変化することを見出しました。現在は理論家と共同で結果の解釈に努めている段階ですが、令和２年度に行った上部臨界磁場の測定結果と合わせて検討すると、Bi/Niがカイラル超伝導であればその結果を説明できる可能性があることがわかりました。さらにNbのリングにおいて、リングにマイクロブリッジ構造を導入すると、特定のバイアス電流に限って抵抗の振動に高次の高調波振動が誘起されることを見出しました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
令和３年度は、本研究課題の目的である、輸送現象を通したトポロジカル超伝導体の分類の実現に向けた複数の成果を得ました。令和２年度にはBi/Niをリング状に加工した素子において、外部磁場に対してリングの抵抗が磁束量子を周期として振動する量子力学的現象を観測していました。本年度はそこからさらに踏み込んで、従来型超伝導体であるNbで作製したリング型素子と同時に対照実験を行い、Bi/Niが従来型超伝導体とは異なる超伝導秩序変数を持つことを支持する結果を得ました。理論家との共同研究によって、その実験結果はカイラル超伝導体の秩序変数を仮定すれば解釈できる可能性があることがわかりました。さらに、本研究の過程で作製したNbのリング型素子において、リングにマイクロブリッジ構造を導入すると、特定のバイアス電流に限って抵抗の振動に最大４倍波までの高調波振動が誘起されるといった、当初予期していなかった現象を観測しました。
さらに、本年度はヘリカル超伝導体にも対象を拡大しました。ヘリカル超伝導体Fe(Se, Te)を薄膜化した素子において電気輸送測定を行ったところ、試料を貫く磁束のピン留め機構が温度によって変化することを見出しました。
また、数値くり込み群と局所フェルミ液体論を組み合わせた数値シミュレーションにも着手しました。エントロピーや電気伝導度の計算から磁気秩序状態における近藤効果を調べたところ、フェリ磁性のスピンエンタングル状態が近藤効果で段階的に遮蔽されることを発見しました。
このように、令和３年度は従来型超伝導体、カイラル超伝導体、ヘリカル超伝導体それぞれに係る新しい輸送現象を見出し、さらに数値計算によって量子輸送現象の評価を行いました。これは当初予期していた以上の進捗であり、本研究の主題である新奇量子デバイスの創製に大きく貢献する成果であるため、「当初の計画以上に進展している」を選択しました。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは従来型超伝導体、カイラル超伝導体、ヘリカル超伝導体のそれぞれ単独の性質について着目してきました。最終年度である令和４年度は、これら複数の超伝導体を組み合わせ、それぞれの超伝導秩序変数に由来する干渉現象の観測を目指します。異なる超伝導秩序変数を持つ超伝導体を接合させると、電気輸送特性にそれらの組み合わせごとに異なる干渉効果が現れます。この干渉現象は接合させた超伝導体の位相差によって駆動されるので、外部磁場を用いて位相を制御しながら電気輸送測定を行うことで、それぞれのトポロジカル超伝導体に特有の位相現象の観測を目指します。これまでの研究でBi/Ni薄膜の超伝導秩序変数が磁場の印加に伴って変化することが示唆されており、接合素子における干渉現象にも反映されることが期待できます。
また、スピン輸送測定を行うことで超伝導秩序変数のスピンの自由度にも着目します。カイラル超伝導とヘリカル超伝導は超伝導秩序変数にそれぞれ異なるスピン状態を持つので、スピンホール角やスピン緩和長のような、スピンに関する物理量に超伝導秩序変数の特徴を反映した変化が現れることが期待できます。量子デバイスへの応用の観点からは、電流・スピン流・磁場といった外部パラメータを介して、超伝導の位相やスピン状態を変調・制御することにも興味が持たれます。接合素子やスピン輸送素子において、それらの可能性を検証します。
本研究課題を通してトポロジカル超伝導体の位相やスピンに関する輸送現象を理解し、トポロジカル超伝導体の秩序変数の特徴を利用した新しい量子デバイス創製への端緒を開きます。
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[Presentation] Bi/Ni薄膜の超伝導秩序変数2022
Author(s)
徳田将志, 中尾舞, 渡邉杜, 中村瞭弥, 前田将輝, Sanghyun Lee, Yue Di, 青山和司, 水島健, Jin Xiao-Feng, 小林研介, 新見康洋
Organizer
日本物理学会第77回年次大会
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[Presentation] Bi/Ni薄膜におけるLittle-Parks振動の観測2021
Author(s)
徳田将志, 中尾舞, 渡邉杜, 中村瞭弥, 前田将輝, Sanghyun Lee, Yue Di, 青山和司, 水島健, Jin Xiao-Feng, 小林研介, 新見康洋
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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