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理研・東大など、クーパー対を2本の細線に弾道的に分離することに成功

発表日:2019年10月5日

初めてクーパー対を2本の細線に弾道的に分離

-1次元電子系を用いた量子情報処理技術の新展開-

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター量子機能システム研究グループの上田健人研修生(東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 博士課程2年)、松尾貞茂基礎科学特別研究員、樽茶清悟グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授(研究当時))らの研究チームは、並列に配置された2本の半導体ナノ細線上にジョセフソン接合[1]を形成し、超伝導[2]体中のクーパー対[3]を構成する二つの電子を2本のナノ細線へ、高効率で弾道的[4]に分離することに成功しました。

本研究成果は、量子情報処理技術[5]の基盤となる量子もつれ状態[6]を二つの1次元電子系に形成し、それを制御してマヨラナ粒子[7]などの新しい量子物性を発現させ、また固体中での量子もつれ状態の物理を解明するための重要な基盤技術を提供します。

超伝導体中のクーパー対は、「非局所的[8]」な性質である量子もつれ状態を持つため、二つの電子を分離できれば、量子情報処理の高速性が期待されます。しかし、これまでクーパー対を分離するには、電子の閉じ込め構造である量子ドット[9]を用いる方法しかなく、分離した電子の持つ量子もつれ状態に関する研究は停滞していました。

今回、研究チームは、並列に配置した半導体ナノ細線インジウムヒ素(InAs)に超伝導体アルミニウムを接合したジョセフソン接合デバイスを作製しました。

接合間を流れる超伝導電流を測定した結果、量子もつれ状態にあるクーパー対が2本のナノ細線中へと効率良く分離する現象を発見しました。

本研究は、科学雑誌『Science Advances』の掲載に先立ち、オンライン版(10月4日付け:日本時間10月5日)に掲載されます。

*図は添付の関連資料を参照

※研究支援

 本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金 基盤研究 B「強いスピン軌道相互作用を持つ1次元電子系の物性解明と超伝導接合への展開(研究代表者:松尾貞茂)」、同 若手研究 A「ナノ細線を介した超伝導輸送現象と電子構造の相関(研究代表者:松尾貞茂)」、同 基盤研究 S「非可換エニオンの電気的光学的制御、量子対の空間制御による新規固体電子物性の研究(研究代表者:樽茶清悟)」、同 基盤研究 A「半導体ナノ構造における人工トポロジカル相の創成(研究代表者:ロス=ダニエル)」、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業個人型研究(さきがけ)「並列二重ナノ細線と超伝導体の接合を用いた無磁場でのマヨラナ粒子の実現(研究者:松尾貞茂)による支援を受けて行われました。

*以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0520683_01.JPG

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0520683_03.pdf

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