| 研究課題/領域番号 |
15H05407
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
松尾 貞茂 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90743980)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 超伝導 / アンドレーエフ反射 / アンドレーエフ束縛状態 / マヨラナ粒子 / ヘリカル状態 / 量子化伝導度プラトー |
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| 研究実績の概要 |
半導体ナノ構造中での超伝導近接効果は、近年マヨラナ粒子の実現の提案が行われたこともあり、非常に注目を集めている。本研究では、この半導体ナノ構造と超伝導体との接合系における超伝導輸送現象に関して、電流位相関係の実証と、それを基礎とした新奇トポロジカル粒子の実証を目標としている。
本年度はまず、InAs量子井戸に対して超伝導電極を接合させ、面直磁場を強く印加することでInAsをスピン分離した量子ホール状態とした時の電子輸送特性を調べた。その結果、量子ホールバルク状態が支配的な場合にアンドレーエフ反射が観測された。これは、スピン三重項超伝導近接効果の兆候であり、スピン分離した量子ホール状態へも超伝導近接ギャップを生成しうることを意味している。この結果は計画にはなかったが、超伝導-量子ホール状態接合でのマヨラナ粒子の実現の可能性を意味している点で重要であり、本研究計画とも深く関係するものである。
また、自己形成型のInAsナノ細線の実験では、並列二重ナノ細線と超伝導体との接合デバイスを作製し、超伝導体から二つのナノ細線へのクーパー対分離の観測に成功した。この系では無磁場でのマヨラナ粒子の発現が予想されており、クーパー対分離はそれに必要不可欠であるため、この結果により無磁場でのマヨラナ粒子の実現に向けた研究が展開していくと考えられる。
さらに、より高品質の超伝導接合作製のため、InAs量子井戸基板上にエピタキシャルにアルミニウム膜が成長された基板の加工を行い、その特性を調査するために、コルビノ型のジョセフソン接合デバイスに加工して実験を行った。その結果、デバイスに超伝導電流が流れ、コルビノ型から予想される特徴的な磁場依存性を示すことがわかった。コルビノ型のジョセフソン接合の実験結果はこれまで一例しかなく、本結果はコルビノ型でのジョセフソン接合研究のマイルストーンとなる可能性がある。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、電流位相関係の実証とそれを用いたマヨラナ粒子の実証に焦点を置いている。まず、電流位相関係に関しては、昨年度まで行っていた高移動度InAs量子井戸への超伝導接合をより高品質化する必要が生じたため、エピタキシャル成長された超伝導体半導体ヘテロ構造試料から超伝導体と半導体との接合を作製した。その結果、超伝導電流が流れること、それをゲート電圧で電界制御できることを確認した。これは、ゲート電圧による量子細線の制御、高品質の超伝導接合の形成という、超伝導電流と位相との関係を明らかにするために必要不可欠な技術が確立されたことを意味しており、本研究の目標の達成にとって有意義である。
また、半導体量子井戸と超伝導体との接合を作製する過程で、計画にはなかったがスピン分裂した量子ホール状態と超伝導体との接合でアンドレーエフ反射が観測された。これは、スピン分裂した量子ホール状態への超伝導近接効果の存在を示唆しており、理論的に提案のある超伝導体と量子ホール状態との接合におけるマヨラナ粒子の実現へとつながる結果であり、重要なものである。
さらに、自己形成ナノ細線を用いた研究では、並列二重ナノ細線と超伝導体の接合におけるクーパー対分離現象を初めて観測した。これは、超伝導体と並列二重ナノ細線の接合において無磁場でのマヨラナ粒子の発現に必要不可欠な現象であり、今後の発展が期待される結果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
まず、電流位相関係の実証に関して、InAs量子井戸上にエピタキシャルに超伝導体が成長された基板から超伝導-量子細線のジョセフソン接合が超伝導量子干渉計に組み込まれたデバイスの作製を行い、極低温で測定する。これにより、当初計画していた電流位相関係の直接観測を目指す。さらに、面内に磁場を印加することにより、マヨラナ粒子の兆候であるゼロバイアスピークを観測し、そこでの電流位相関係の測定を行うことで、マヨラナ粒子の存在をより強く裏付ける2倍周期の電流位相関係を観測することを目指す。
次に、並列二重ナノ細線と超伝導体との接合デバイスに関しては、量子井戸からデバイスを作製し、無磁場においてナノ細線端にマヨラナ粒子の兆候であるゼロバイアスピークがあらわれることを観測する。また、クーパー対分離のスピン依存性を調べるため、クーパー対分離信号の磁場依存性を測定し、分離後の電子スピン間の相関関係を明らかにする。
加えて、超伝導体と量子ホール状態との接合に関して、InAs量子ホール状態と超伝導体との接合を流れる超伝導電流とその量子干渉効果の測定をめざす。
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