| 研究課題/領域番号 |
20K03846
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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 |
池上 弘樹 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, 専任研究員 (70313161)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子相転移 / 超伝導・絶縁体転移 / ジョセフソン接合アレイ / BKT転移 / 量子光学的測定 / 電気伝導測定 |
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| 研究実績の概要 |
量子相転移の性質の解明は、現代量子多体物理における重要な課題の一つである。量子相転移の代表として、超伝導と絶縁体の間の転移がある。この量子相転移は様々な系で見られるが、その相転移の詳細に関しては普遍的な理解には至っていない。本研究では、系のパラメーターを人工的に制御可能な人工量子多体系であるジョセフソン接合アレイを舞台として、超伝導－絶縁体間の量子相転移の性質を解明する事を目的とする。特に、電荷と磁束のダイナミクスを実験的に明らかにすることを目指す。
2020年度は、量子光学的測定と電気伝導の測定系のセットアップと測定を行った。特に、EJ/Ec（EJ：ジョセフソンエネルギー、Ec：チャージングエネルギー）の値が小さい時に実現される絶縁体相では、低温で、抵抗値が非常に高い事（100 MΩ以上）、ジョセフソン接合アレイに印可できる電流が非常に小さいという事という制約のため、高感度に電流を測定する必要がある。そのための高感度の電流測定が可能な測定系をセットアップした。電気伝導の温度依存性の測定をEJ/Ecが異なる複数のジョセフソン接合アレイに対し実験を行った。その結果観測された電流-電圧特性は、低温で、I=cV+bV^aで記述される特徴的なものである事を見出した。
一方で、量子光学的手法の測定においては、マイクロ波共振器中の単一光子とジョセフソン接合アレイを強く結合させる事により、ジョセフソン接合アレイの情報を単一光子の応答として観測するというcircuit-QEDの手法の準備を進めた。そのために、単一光子と強く結合するように設計したジョセフソン接合アレイをマイクロ波共振器中に設置できる実験セットアップした。また、共振器中の光子の減衰率を観測することにより、ジョセフソン接合アレイで起こるエネルギー散逸を観測出来る事を明らかにした。
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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
2020年度は、コロナ禍により実験を行えない期間があった。しかしながら、量子光学的測定と電気伝導の測定系のセットアップを完了することができ、量子光学的測定と電気伝導の測定を開始できた。特に電気伝導の測定においては、既に、新たな非線形性が観測されている。今後、量子光学的測定と電気伝導の測定を、EJ/Ecが異なるジョセフソン接合アレイに対し行うことにより、電荷と磁束のダイナミクスを実験的に明らかにする。そのため基盤が整ったと考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後、電気伝導測定と量子光学的測定を、EJ/Ecが異なるジョセフソン接合アレイに対し行うことにより、電荷と磁束のダイナミクスを実験的に明らかにする。
電気伝導の測定においては、これまで観測されている非線形性が、電荷の解離(-2eと+2eの対解離)によるBKT機構による相転移に関連するものかどうかを明らかにする。さらに、EJ/Ecを測定を行い、非線形性が量子相転移点に近づくにつれてどのように変化するかを明らかにし、量子相転移点に近傍で素励起の性的および動的性質を明らかにする。
量子光学的測定においては、共振器中に設置したジョセフソン接合アレイの量子状態の情報を単一光子レベルで観測する。特に、共振器中の光子の減衰率を観測することにより、ジョセフソン接合アレイで起こるエネルギー散逸を観測する。このエネルギー散逸には、超伝導相においては磁束のダイナミクスにより生じるエネルギー散逸、絶縁体相においては電荷励起のダイナミクスによる散逸を観測できると予想される。磁束と電荷ダイナミクスを観測し、超伝導相と絶縁体相の差異を見ることにより、それぞれの相での相転移機構に関する情報を得る。さらに、量子臨界点近傍で測定を行い、量子臨界点近傍で特異な性質を持つと予想される素励起の性質を明らかにする。
以上に加え、ジョセフソン接合アレイに対して熱伝導現象測定を行うための測定系の整備とトンネル接合温度計の作製を行う。熱伝導現象測定では、電荷を持たない磁束の生成やダイナミクスを観測する事も可能で、磁束の関与が考えられる超伝導相での相転移機構の解明に威力を発揮すると期待できる。
上記の研究で得られた結果を速やかに取りまとめ、学会発表や論文発表を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）
2021年度から開始予定の熱伝導測定のセットアップに必要な機器を2020年度に購入する予定であったが、2021年度に購入しても間に合うと判断した。そのため、2021年度に購入する事とした。
（使用計画）
ジョセフソン接合アレイに対して熱伝導現象測定を行うためのトンネル接合温度計の電圧測定用に低雑音電圧アンプ（２台）を購入する。また、その測定系の整備のための周辺エレクトロニクス作製、ジョセフソン接合アレイの微細加工のための消耗品、および低温部に使用する金属部品の加工のために経費を使用する。また、学会発表や論文発表を行うために経費を使用する。
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