選択的に成長させたトポロジカル絶縁体ベースの三端子接合における超伝導結合とジョセフソン・ダイオード効果

核心概念

選択的に成長させたトポロジカル絶縁体（TI）とニオブ（Nb）超伝導体を組み合わせた三端子ジョセフソン接合を作製し、その輸送特性を詳細に調査した結果、多端子構造に特有のダイオード効果など、完全結合した接合の特徴が明らかになった。

要約

本研究では、選択的に成長させたトポロジカル絶縁体（TI）であるBi0.8Sb1.2Te3と、シャドウマスク蒸着法で形成したNb超伝導電極を用いて、三端子ジョセフソン接合を作製し、その低温輸送特性を測定した。その結果、この接合は、従来の超伝導体と三次元トポロジカル絶縁体の組み合わせが、マヨラナ粒子に基づく耐故障性トポロジカル量子コンピューティング回路の構築に有望なプラットフォームとなることを示唆している。

研究の背景と目的

三次元トポロジカル絶縁体は、バルクは絶縁体だが表面に伝導状態を持つ新奇な物質であり、近年、トポロジカル量子コンピューティングへの応用可能性から大きな注目を集めている。特に、トポロジカル絶縁体ナノリボンをs波超伝導体で近接させ、ナノリボンに沿って磁場をかけると、マヨラナゼロモードと呼ばれるエキゾチックな準粒子が現れる。マヨラナゼロモードの編組操作は、トポロジカル量子コンピューティングにおける基本的な演算要素となる。この操作を実現するためには、複数の超伝導電極の超伝導位相を調整できる多端子構造が必要となる。そのため、三端子ジョセフソン接合は、これらのネットワークの重要な構成要素となる。

実験方法

本研究では、選択領域成長とシャドウマスク蒸着を組み合わせた独自の技術を用いて、高品質な三端子ジョセフソン接合を作製した。この方法により、近接効果の研究に重要な、トポロジカル絶縁体と超伝導体の間の非常に優れた界面透明性を持つジョセフソン接合をその場で作製することができる。作製した素子の輸送特性を、バイアス電流と磁場の関数として、希釈冷凍機を用いて10 mKの極低温環境で測定した。

結果と考察

まず、個々の接合の特性を評価するために、三端子のうち一つをフローティング状態にして二端子測定を行った。その結果、全ての接合において、超伝導電流、ジョセフソン電流のヒステリシス、多重アンドレーエフ反射に起因すると考えられる微分コンダクタンスにおけるピーク構造など、ジョセフソン接合に特徴的な振る舞いが観測された。これは、選択領域成長とシャドウマスク蒸着を組み合わせた作製方法によって、高品質なジョセフソン接合が形成されたことを示している。

次に、三端子接合の特性を明らかにするために、二つの電極に電流を流し、残りの電極を接地した状態で、微分抵抗の電流バイアス依存性を測定した。その結果、二つの電流の組み合わせに応じて、超伝導状態を示す領域が広がっていることがわかった。これは、三端子接合において、電流が二つの異なる経路を流れ、互いに干渉することで現れる現象である。また、微分抵抗の電圧バイアス依存性を測定した結果、多重アンドレーエフ反射に起因すると考えられる等電位線が観測された。

さらに、三端子接合に垂直磁場を加えた状態で二端子測定を行ったところ、磁場の方向に依存してスイッチング電流の大きさが変化する、ダイオード効果が観測された。これは、素子構造に由来する空間反転対称性の破れと、磁場による時間反転対称性の破れの競合によって現れる現象であると考えられる。

結論

本研究では、選択的に成長させたトポロジカル絶縁体とNb超伝導体を用いた三端子ジョセフソン接合を作製し、その輸送特性を詳細に調査した。その結果、多重アンドレーエフ反射や磁場誘起ダイオード効果など、完全結合した三端子接合の特徴的な振る舞いが観測された。これらの結果は、マヨラナゼロモードに基づくトポロジカル量子コンピューティングの実現に向けて重要な一歩となるものである。

統計

接合面積は約100 × 100 nm2。
Nb薄膜の臨界温度Tcは約8.5 K。
超伝導ギャップエネルギーΔは約2.6 meV。
ジョセフソン接合の透明度は最大で0.94。
ダイオード効果の効率は約0.04。

引用

抽出されたキーインサイト

Superconductive coupling and Josephson diode effect in selectively-grown topological insulator based three-terminal junctions

by Gerr... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.19311.pdf

深掘り質問

本研究で作製された三端子ジョセフソン接合を用いることで、具体的にどのようなトポロジカル量子コンピューティング操作が可能になるのか？

本研究で作製された三端子ジョセフソン接合は、トポロジカル量子コンピューティングにおける基本演算であるマヨラナゼロモードのブレイディングを実現するための基盤となります。
具体的には、以下のような操作が可能になります。

マヨラナゼロモードの生成と制御: トポロジカル絶縁体と超伝導体の接合界面に、外部磁場とスピン軌道相互作用を組み合わせることで、マヨラナゼロモードを生成することができます。三端子接合を用いることで、各電極に流れる電流を制御し、マヨラナゼロモードの位置や結合状態を操作することが可能になります。

ブレイディング操作: 三端子接合の各電極に接続された超伝導体の位相を制御することで、マヨラナゼロモードを移動させることができます。これにより、マヨラナゼロモード同士を交換するブレイディング操作を実現し、量子ビットの状態を変化させることができます。

量子状態の読み出し: ブレイディング操作後、マヨラナゼロモードの状態を測定することで、量子計算の結果を読み出すことができます。三端子接合を用いることで、マヨラナゼロモード間の結合強度を制御し、高精度な読み出しを実現することができます。

本研究で作製された三端子ジョセフソン接合は、高い界面透過率を有しており、マヨラナゼロモードの生成と制御、ブレイディング操作、量子状態の読み出しといった、トポロジカル量子コンピューティングに必要な操作を実現するための重要な要素技術となります。

接合の形状や材料を最適化することで、ダイオード効果の効率を向上させることはできるのか？

はい、接合の形状や材料を最適化することで、ダイオード効果の効率を向上させることが可能です。具体的には、以下の様なアプローチが考えられます。

形状の最適化:

非対称性の増強: 本研究でも言及されているように、T字型の接合形状は、その構造自体が反転対称性を崩しており、ダイオード効果の発現に寄与しています。この非対称性をさらに増強することで、ダイオード効果を強めることが期待できます。例えば、接合部の形状をより複雑にする、あるいは、各腕の長さや幅を非対称にするなどの方法が考えられます。
磁束集中構造: 接合部に磁束を集中させる構造を導入することで、ダイオード効果に必要な磁場強度を低減し、効率を向上させることができます。例えば、超伝導体の形状を工夫して磁束を集中させる、あるいは、磁性体を利用して外部磁場を増強するなどの方法が考えられます。

材料の最適化:

スピン軌道相互作用の大きい材料: トポロジカル絶縁体材料として、スピン軌道相互作用のより強いものを用いることで、ダイオード効果を強めることが期待できます。例えば、Bi2Se3やSb2Te3などの材料が候補として挙げられます。
界面透過率の向上: トポロジカル絶縁体と超伝導体の界面における電子状態の散乱を抑制し、界面透過率を向上させることで、ダイオード効果の効率を高めることができます。これは、成膜条件の最適化や界面制御層の導入などによって実現される可能性があります。

これらの最適化は相互に関連しており、形状と材料の両面から最適な設計を行うことで、より高効率なダイオード効果を実現できる可能性があります。

トポロジカル絶縁体以外の材料を用いた場合、三端子ジョセフソン接合の特性はどのように変化するのか？

トポロジカル絶縁体以外の材料を用いた場合、三端子ジョセフソン接合の特性は、材料固有の電子状態やスピン構造に依存して変化します。以下に、いくつかの例を挙げて説明します。

通常の金属を用いた場合: トポロジカル絶縁体とは異なり、通常の金属はバルクにおいてギャップを持たず、表面状態も保護されません。そのため、マヨラナゼロモードは出現せず、トポロジカル量子コンピューティングへの応用は困難となります。ただし、通常の金属を用いた三端子ジョセフソン接合は、従来の超伝導デバイスの性能向上や新規機能の実現など、他の用途への応用が期待できます。

半導体ナノワイヤを用いた場合: 半導体ナノワイヤは、トポロジカル絶縁体と同様に、外部磁場とスピン軌道相互作用を組み合わせることで、マヨラナゼロモードを出現させることができると理論的に予測されています。ただし、半導体ナノワイヤはトポロジカル絶縁体と比較して、材料の品質や界面制御の面で課題が残されています。

グラフェンを用いた場合: グラフェンは、高い電子移動度やスピン軌道相互作用の制御可能性など、優れた特性を持つことから、次世代の電子材料として期待されています。グラフェンを用いた三端子ジョセフソン接合は、マヨラナゼロモードの出現やトポロジカル量子コンピューティングへの応用以外にも、高感度磁気センサーや超伝導トランジスタなど、様々な分野への応用が期待されています。

高温超伝導体: 高温超伝導体を用いることで、より高い動作温度での量子コンピューティングの実現が期待されます。しかし、高温超伝導体とトポロジカル絶縁体の界面制御は、材料の化学的性質や結晶構造の違いから、通常の超伝導体の場合よりも困難となります。

このように、トポロジカル絶縁体以外の材料を用いた三端子ジョセフソン接合は、材料固有の特性によって様々な振る舞いを示すことが予想されます。それぞれの材料の特性を理解し、目的に応じた材料選択やデバイス設計を行うことが重要となります。