Quest of topological supreconducting state and concomitant Majorana excitation state using electrical spin detection procedure

Research Project

Project/Area Number	23K17353
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	白石誠司京都大学, 工学研究科, 教授 (30397682)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	柳瀬陽一京都大学, 理学研究科, 教授 (70332575) 大同暁人京都大学, 理学研究科, 助教 (80884626)
Project Period (FY)	2023-06-30 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000) Fiscal Year 2026: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2025: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywords	トポロジカル / 超伝導 / スピン偏極 / マヨラナ励起 / トポロジカル物質 / スピン計測
Outline of Research at the Start	誤り耐性のある量子計算実現に重要なマヨラナ準粒子を計測・制御するために、このマヨラナ準粒子が発現できる系で特徴的なスピン偏極状態を計測することを目指し、その実現を通じてマヨラナ準粒子そのものの状態計測への技術的プラットフォームを構築する。
Outline of Annual Research Achievements	初年度はトポロジカル超伝導候補物質であるFeTeSeを用いて、期待されるカイラルp波超伝導状態が生むスピン偏極状態の観測を試みた。その結果、超伝導状態に転移した条件のもとで、FeTeSeにおけるスピン偏極状態由来と期待されるスピン信号の電気的検出に成功した。対象実験として従来型（BCS）のs波超伝導を示すNbNを用いて実験を行ったが、NbNではスピン偏極状態由来のスピン信号は観測されなかった。これはマヨラナ励起を許すカイラルp波超伝導状態の物性探索に突破口を開く結果であると同時に、材料面でp波超伝導を許す材料が極めて少なく材料探索に大きなエネルギーが傾注されている中で、新たな視点からp波超伝導物質を探索するツールを手に入れたことを示唆する。次年度以降、引き続き研究を進め、より確実な証拠を手に入れると共にFeTeSe以外の物質系における計測を推進する。また同じくFeTeSeが、そのDirac的なスピン偏極バンド構造とスピンテクスチャゆえに許容する可能性がある超伝導ダイオード効果についても探索を行い、狙い通りの超伝導ダイオード効果を観測することに成功した。これについては対象実験を推進しながらその背景学理の探索を次年度以降推進する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度からカイラルp波超伝導由来と期待されるスピン偏極信号を観測できたことは順調な滑り出しといえる。また当初計画外であった超伝導ダイオード効果に関しても大きな進展があったことは評価できる、と判断した。
Strategy for Future Research Activity	上記の通り、トポロジカル超伝導由来のカイラルp波超伝導性が生じるスピン偏極状態の探索・検証を続けると共に、対称性の破れが生み出すp波超伝導状態の観測への挑戦も開始する。また、中性粒子であるマヨラナ準粒子の計測をいかに実現していくかに関する調査・検討も徐々に進めていく。また、カイラルp波超伝導体以外でもp波をホストする物質群に着目して研究を行う。同時にRashba的なスピンテクスチャが許容する超伝導ダイオード効果にもよりスコープを広げて超伝導スピントロニクスの観点から新物性現象の探索を継続していく。