51探花

理化学研究所（理研）创発物性科学研究センター强相関物性研究グループの安田宪司客员研究员（マサチューセッツ工科大学博士研究员）、十仓好纪グループディレクター（东京大学大学院工学系研究科教授）、强相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（东京大学大学院工学系研究科教授）、东北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、トポロジカル絶縁体^[1]の超伝导^[2]界面において、超伝导电流の整流効果^[3]を観测しました。

本研究成果は、トポロジカル超伝导体の电子状态の解明に贡献するほか、超伝导电流を効果的に制御する整流素子として活用できると期待できます。

トポロジカル絶縁体と超伝导体を接合したトポロジカル超伝导体^[4]を用いることで、扰乱（じょうらん）に対して坚牢なトポロジカル量子计算^[5]が可能になることが理论的に提案されており、现在盛んに研究が进められています。

今回、共同研究グループは、その电子状态を调べるため、トポロジカル絶縁体表面状态と超伝导が共存している贵别罢别（贵别：鉄、罢别：テルル）と叠颈₂Te₃（叠颈：ビスマス、罢别：テルル）の积层界面に着目しました。超伝导界面と平行（面内）に磁场を加えて抵抗を测定したところ、部分的に超伝导の発现した状态でのみ、电流の方向に依存して抵抗が変化する整流効果（ダイオード効果）が现れることが分かりました。详细な测定と理论计算から、スピン运动量ロッキング^[1]した表面状态の电子が特殊な超伝导状态を実现していることが明らかになりました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』（6月21日付け：日本时间6月21日）に掲载されました。

図 界面における超伝導と磁場下での超伝导電流の整流効果のイメージ

【补足解説】

[1] トポロジカル絶縁体、スピン運動量ロッキング
トポロジカル絶縁体は固体内部では电気を流さない絶縁体であるが、物质表面でのみ电気を流す金属として振る舞う。表面を流れる电子は、そのスピンの方向が运动方向に対して常に垂直の方向に向くというスピン运动量ロッキングと呼ばれる性质を持っており、通常の金属や半导体、絶縁体とは异なる兴味深い种々の物性が现れる。电子状态を位相几何学的に特徴づけたときに特徴的なトポロジカル数を持つことからトポロジカル絶縁体と呼ばれる。

[2] 超伝導
通常の导体と异なり、电気抵抗が0でエネルギー散逸なく电流が流れる状态。

[3] 整流効果
电流の方向によって、电流の流れやすさ（抵抗）が异なる効果のこと。最も代表的なものに辫型半导体と苍型半导体を接合した辫苍接合ダイオード素子があるが、近年では固体中の电子の相対论的効果を用いることで、磁场で制御可能な整流効果を生じることが明らかになっている。

[4] トポロジカル超伝導体
通常の超伝导体と異なるトポロジカル数を持つ超伝導体。トポロジカル絶縁体と超伝導体を接合することで実現できると考えられている。試料の端や位相欠陥にマヨラナ粒子と呼ばれる特殊な粒子が生じ、この粒子を操作することで擾乱に対して堅牢なトポロジカル量子計算が可能となることが理論的に提案されている。

[5] トポロジカル量子計算
量子力学的な重ね合わせ状态を用いることで、大规模な计算を高速に行うことができるコンピュータを量子コンピュータという。量子コンピュータの実现に向けた大きな课题の一つに、外界からの扰乱によって重ね合わせが失われるデコヒーレンスの问题がある。トポロジカル超伝导体に潜むマヨラナ粒子を制御することで、デコヒーレンスの起こりにくい、扰乱に対して坚牢なトポロジカル量子计算が実现できると期待されている。

详细（プレスリリース本文）

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