2014 Fiscal Year Research-status Report
高スピン偏極ナノピラーによる交差アンドレーエフ反射の観測と量子ビットへの応用
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26790041
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大西 紘平 九州大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (30722293)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 交差アンドレーエフ反射 / 超伝導体 / ナノピラー構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、超伝導体と強磁性体からなる新奇な複合ナノ構造を用いて、交差アンドレーエフ反射の観測と、それによる量子ビットを実現することである。そのうち本年度は、新奇な複合ナノ構造の作製プロセスの確立と、本ナノ構造が交差アンドレーエフ反射の測定に有効であることを示した。
本研究において新規に考案した複合ナノ構造は、超伝導体／非磁性常伝導体二層膜上に２つの強磁性体ナノピラーを接合した構造である。本構造では、先行研究において高効率にスピン偏極電流を注入可能であることが示されている強磁性ナノピラー構造を、超伝導体／非磁性常伝導体二層膜に応用している。それにより、強磁性体からの逆近接効果による超伝導状態の抑制を排除するとともに、注入電流による発熱を最小限とすることを狙った。実際の作製においては、清浄界面を有した試料作製のため、大気暴露することなく超伝導体／非磁性常伝導体／強磁性体を連続堆積させたのちに微細加工を施すことで本構造を実現した。
作製した構造において、非磁性常伝導体中のスピン蓄積量に比例するスピン信号を測定した結果、超伝導体の超伝導転移とともに信号が増加した。本結果は、超伝導体／非磁性常伝導体界面が清浄界面であり、界面における超伝導ギャップの存在によりスピン偏極成分が超伝導体へ吸収されないことを明確に示したものである。さらに、非磁性常伝導体層の電気抵抗測定と組み合わせることにより、常伝導体層において、スピン偏極状態とともに超伝導体の近接効果によるスピン一重項状態が共存していることを示唆する結果が得られ、スピン一重項状態の電子対が分かれることによって実現する交差アンドレーエフ反射の測定に有効であることがわかった。
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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
強磁性体からの逆近接効果を抑制するために非磁性常伝導体を超伝導体層と強磁性体層の間に堆積させるなど、当初の計画から変更はあったものの、交差アンドレーエフ反射の測定に向けて基本的な構造の作製プロセスを確立した。
また、本研究における最終目標である交差アンドレーエフ反射の量子ビットへの応用のためには、スピン一重項状態と強磁性の相互作用が必要となるが、常伝導体層の導入により本相互作用が効果的に観測されない可能性も考えられた。しかしながら、この点に関しても、常伝導体層においてスピン一重項状態とスピン偏極状態の共存状態が実現可能であることを示唆する結果を得て、本共存状態を積極的に利用することでより長距離に渡る量子もつれ状態実現の可能性がでてきた。
以上から、おおむね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、さらなる特性向上を行うことで、交差アンドレーエフ反射の信号を実際にとらえる。また、研究成果の発表を積極的に行っていく。
これまで超伝導体として用いていたNbに代わり、より超伝導転移温度の高いNbNの成膜を行う。また、強磁性体についても、これまで用いていたNiFeに代わってCoFeAlを用いることで、より高効率なスピン偏極状態の生成を可能とする。
測定においては、ジュール熱による超伝導状態の変化にともなう信号を排除し、スピン偏極成分による信号を抽出する。ここで、スピン偏極による信号はジュール熱による信号と比較して非常に小さいため、励起電流依存性の測定のみでは不十分である可能性が高い。そこで、磁化配列の制御された複数の強磁性体ピラーによる多端子スピン注入を行い、ジュール熱の影響が等しい一方でスピン蓄積量の異なる状態での測定を実現する。
これらの実験結果から、交差アンドレーエフ反射の信号成分の解析手法を確立し、量子ビットへの応用に向けた知見を得る。また、研究成果を論文および国内外の学会講演等において発表する。
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| Causes of Carryover |
本年度は試料構造作成に専念するように計画を変更し、精密測定を次年度に回したため、一部の測定機器などの購入が次年度となった。また、一部の実験において、次年度以降により本研究に適した物品をそろえる予定とし、まずは現在所属する研究室において現有していた物品を用いて遂行した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
NbNおよびCoFeAl成膜のため、新規スパッタリングターゲットを購入する必要がある。測定においては、測定試料ソケットの考案および購入を行い、多端子スピン注入下における測定を実現するためのソースメータなども購入する。また、国外での発表を行っていくための出版費、渡航費も必要となる予定である。
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