| 研究課題/領域番号 |
19H05610
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
樽茶 清悟 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, グループディレクター (40302799)
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| 研究分担者 |
ロス ダニエル 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (00524000)
ディーコン ラッセル 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (40552443)
松尾 貞茂 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (90743980)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| キーワード | 非可換エニオン / トポロジカル超伝導 / マヨラナ粒子 / 励起子ポラリトン |
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| 研究実績の概要 |
InAsナノ細線超伝導接合について、シャピロ階段の測定の結果、半整数倍の階段を観測した。半整数倍のシャピロ階段はナノ細線の電子輸送の弾道性に起因する接合の高い透過率が起源であることを明らかにした。また、単一ナノ細線ジョセフソン接合で面直磁場がある閾値に達すると超伝導電流が増加する現象を観測し、磁場の掃引方向に対するヒステリシスなどから増大が準粒子トラップによる現象であることを解明した。また、二重ナノ細線を用いた結合ジョセフソン接合で非局所ジョセフソン効果の観測と制御に成功した。コルビノ型ジョセフソン接合の輸送特性から磁束渦のコア半径を評価した。
高Qの共振器を開発し、この回路上にrf-SQUIDをフリップさせる技術を確立し、Al-InAsナノワイヤーのジョセフソン接合における状態の検出に初めて成功した。さらに、2次元結晶フレークを自動的に探索・検出するためのシステムをグローブボックス内に構築し、単層 WTe2のコンタクトを形成することに成功した。電気的ゲーティングにより、単原子層を超伝導状態にすることにも成功した。
周波数オフセットしたガウスモードとラゲールガウスモードからなる回転光学モードに対するポラリトン凝縮体の応答を理論と実験で調べ、この手法によってポラリトン凝縮体が角運動量を取り込んでいることを証明した。実験では閉じ込めポテンシャルがないため、渦の核生成は起こらないが、数値計算により、トラップを加えることで高密度の秩序渦格子を形成し、この手法で平均場量子ホール領域に近づけることができることが示された。
我々は、内的あるいは外的なスピン軌道相互作用によって誘起されるらせん磁場の存在下で、相互作用する2サブバンド量子細線を研究した。結果、新しい分数励起メカニズムに起因する、材料パラメータに依存しない普遍的な分数値でのコンダクタンスディップの出現の提案に成功した。
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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
単一ナノ細線ジョセフソン接合の半整数シャピロ階段と磁場による超伝導電流の増強の観測、二重ナノ細線での非局所ジョセフソン効果の観測は計画になかった想定外の結果である。前二者はマヨラナ粒子の検証に際し異常な超伝導接合の振る舞いが必ずしもトポロジカル性と関連しないことを示している。これらはナノ構造超伝導接合の物理の開拓に有用であり、またトポロジカル超伝導の実験的検証技術の開発指針を与えている。後者は従来のクーパー対分離を原理とする非局所超伝導相を発展させた概念を実験検証するもので、超伝導デバイスの新しい相関形成手法と制御法を提供しており、今後注目を集めることが見込まれる。
フリップチッププロセスの開発、単層 WTe2 スタックの製造能力など、主要な技術について作業が進んでいる。しかし、ジョセフソン接合デバイスの製造は、当初想像していたよりも困難であることが判明しており、進展が必要である。最初の提案では、エッジコンタクトとの組み合わせが検討されたが、完全にゲート制御で定義された接合の作製が可能になってきたので、2021年度にはこの目標に焦点を当てる予定である。
大きなポラリトン凝縮体の駆動回転を初めて観測することに成功したことは、量子渦の核生成に重要であると同時に、構造化光ポンプを用いた場合や、製作した光格子（例えばフロケトポロジカルモデル）と組み合わせた場合に、ポラリトンの流れを制御してトポロジカル状態を作り出せる技術を確立するものである。
強いスピン軌道相互作用と電子-電子相互作用を持つ準1次元系の普遍的な輸送特性を見出すことに成功した。さらに、当初の計画を超えて、外部磁場がゼロの状態でも分数量子ホール状態に類似した分数励起を有する強相関電子系を同定することに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度はSAG二重ナノ細線-超伝導接合を用いたジョセフソン放射測定によるマヨラナ粒子の検出に焦点を当て実験を進める。また、非局所近接超伝導相の物理の開拓のため、量子井戸加工型の二重ジョセフソン接合を用いた電流位相関係の測定を行う。加えて、平面ジョセフソン接合でのマヨラナ粒子の測定に関する報告の検証と発展を目的に、まず平面ジョセフソン接合のトンネル測定を行い、アンドレーエフ状態の分光を行う。
エッジコンタクト単層 WTe2 の製造は困難であることが判明したため、ゲート構造を用いたジョセフソン接合を形成する他の方法を検討している。パンデミックにより、欧州から供給されるトポロジカル絶縁体デバイスの共同研究が大幅に減少したため、2021年度からは、独自に作製したデバイスのマイクロ波回路での研究に重点を置く予定である。
今後回転する光ポンプが駆動ポラリトンダイナミクスに与える影響について研究する。 この手法を拡張して渦の核生成やトポロジカル状態を観測するために、イオン注入法による集積型トラッピングポテンシャルの開発を継続する。また、2つの角度付き周波数オフセットモードによる干渉で形成される1次元時間変調光ポンプの使用についても研究（実験と理論）し、ポラリトン凝縮ダイナミクスに対するポンプの特定の影響（例えば、動的エネルギー風景、または利得損失変調）を決定し、この技術の効率を改善することができるようにする。
高次散乱過程の解析を、近年注目されているツイスト二層グラフェンのドメインウォールとして実現される量子細線配列二次元ネットワークに拡張し、系の持つ不安定性が電荷密度波、モット絶縁体、超伝導など様々な相の実現につながることを明らかにする。
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