2012 Fiscal Year Annual Research Report
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24840014
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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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2012-08-31 – 2014-03-31
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| Keywords | スピン起動相互作用 / スピンフィルター / ジョセフソン効果 / 超伝導 / 近接効果 / アンドレーエフ反射 |
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| Research Abstract |
InAsは狭ギャップ半導体であり、非対称量子井戸において非常に強いスピン軌道相互作用が期待され、デバイス構造と非平衡状態の組み合わせによってスピンフィルター効果やスピンホール効果などが生じることが知られている。本研究ではこの系に超伝導電流を流すことでクーパー対を形成する電子対のスピンを回転させてスピン三重項超伝導を創り出し、そのクーパー対のスピンを量子ドットで検出することを目指している。また、スピン三重項超伝導を作り出すスピンフィルターとして強磁性半導体を用いることも考慮に入れている。
上記研究目標を達成するために本年度はまず界面バリアの十分低いNb/InAs/Nb超伝導接合の作成に取り組んだ。素子構造を工夫することにより、Nb間を伝わる超伝導電流と、InAs内を流れる通常電子の電流を独立に制御し、超伝導接合内でスピンホール効果を引き起こすことができるようになった。スピンホール効果によって生じる純スピン流は時間反転対称性を破らないため超伝導接合の導電特性に大きな影響は与えないと考えられるが、本研究ではこのスピンホール効果によって超伝導電流が大きく減少することを明らかにした。これは単純にはスピンホール効果によるスピン蓄積によってNb/InAs界面でのアンドレーエフ反射が抑制されてInAs内のアンドレーエフ束縛状態が消失したためと考えられそうだが、伝導度スペクトルから観測されるアンドレーエフ反射確率はスピンホール効果では全く変化していなかった。これはNb/InAs界面ではアンドレーエフ反射によって、スピン流の角運動量が完全に反射されてしまい、スピンが界面に蓄積しないことを意味している。従ってアンドレーエフ反射の抑制の起源は未だよくわかっておらず、現在理論家と議論を交わしている最中である。
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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
現在までに低バリア接合の作成プロセスはほぼ確立し、充分大きな超伝導臨界電流を持つNb/InAs/Nb接合も安定して得られるようになった。また、超伝導とスピン軌道相互作用の強い二次元電子系の界面現象に関する研究も進んでおり、アンドレーエフ反射特性だけでなくスピンホール効果に起因すると考えられる異常なアンドレーエフ束縛状態の抑制も観測されており、スピン軌道相互作用系と超伝導体との接合に関しては当初予定した以上の成果が得られている。また強磁性半導体(In,Fe)As薄膜の育成も進んでおり、弱いながらも強磁性を示すエピタキシャル薄膜が得られるようになった。若干強磁性が弱いため超伝導体との接合を作成するまでには至っていないが、概ね予定通りに研究は進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは現在作成中の(In,Fe)As薄膜を用いてNb/(In,Fe)As接合を作成し、その伝導度測定から(In,Fe)Asの分極率を明らかにする。この接合は素子形状を工夫することでNb/(In,Fe)As/Nb接合を同時に作成することができるため、Nb/(In,Fe)As/Nb接合の臨界電流のスピン分極率依存性からスピン三重項超伝導の可能性を議論する。同時に、現在既に得られているNb/InAs/Nb接合においてInAs部分をネッキングすることによって量子ポイントコンタクト(QPC)とし、QPCのスピンフィルタリングの効果によって超伝導接合の臨界電流がどのように変化するかを調べる。
また超伝導電流のスピン状態を横結合型の量子ドットで検出する実験も行う。InAs系ではショットキー障壁が形成されにくくゲート電極を乗せるのが難しいが、エッチングによって二次元電子系そのものをサイドゲートとすることによってその問題を回避する。さらに、二次元電子系の基板を作成する際、キャップレイヤーとなる(Al,Ga)Asの厚みを厚くすることでゲート電極を乗せられるようにすることも考えている。
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