2020年 | プレスリリース?研究成果
普通の超伝导体をトポロジカル超伝导体に変换する手法を开発 - 量子計算素子の物質探索に新しい道 -
【発表のポイント】
- 普通の超伝导体をトポロジカル超伝导体に変换する手法を开発
- 超伝导近接効果を使わないトポロジカル超伝导の実现方法を提案
- トポロジカル量子计算に応用できる物质の探索に新たな方向性
【概要】
トポロジカル絶縁体※1の発见を契机にして、その発展物质である「トポロジカル超伝导体※2」が注目されています。トポロジカル超伝导体では、その表面やエッジ（端）において「マヨラナ粒子※3」と呼ばれる、量子コンピュータ※4への応用が期待される特殊な粒子が存在すると予言されています。现在、世界中でトポロジカル超伝导を実现する试みが精力的に行われていますが、未だ决定的な証拠がありません。
东北大学材料科学高等研究所の佐藤宇史教授、高桥隆客员教授、同大学院理学研究科チー?トラン博士课程大学院生、大阪大学产业科学研究所の山内邦彦助教、京都产业大学の瀬川耕司教授、ドイツケルン大学の安藤阳一教授らの研究グループは、トポロジカル絶縁体罢濒叠颈厂别2上に普通の超伝导体笔产（铅）の超薄膜を作製し、その电子状态を角度分解光电子分光法という手法で详しく调べた结果、もともと罢濒叠颈厂别2の表面上にあったトポロジカル状态が、接合によって笔产超薄膜侧に移动し、普通の超伝导体である笔产がトポロジカル超伝导体に変化していることを発见しました。
この成果は、従来试みられてきたアプローチとは全く异なる方法でトポロジカル超伝导が実现できることを初めて明らかにしたものです。今后、本研究で见出された方法に基づいてトポロジカル超伝导体の探索を进めることで、量子コンピュータに役立つ物质材料の探索?开発が大きく进展すると期待されます。
本研究成果は、英国科学誌Nature Communicationsの2020年1月9日号で公開されました。
図１ トポロジカル超伝导実现のための接合构造の模式図
トポロジカル超伝導を実現するための、(a) 超伝導近接効果を用いる従来の方法と、(b) 超伝導近接効果を用いない本研究の方法。右図は、Pb/TlBiSe2の结晶构造。
【用语解説】
※1 トポロジカル絶縁体
固体は物质内の电子状态によって、金属、絶縁体（半导体）、超伝导体と分ける事ができますが、位相几何（トポロジー）の概念を物质の电子状态の解析に取り入れる事で、これまでの絶縁体とは一线を画す新しい絶縁体物质として2005年に提唱されました。3次元物质では表面に、2次元物质ではエッジ（端）に、不纯物の散乱に対して非常に强い电子の伝导路が形成されます。この伝导路は电子のスピンが上向きか下向きかで分かれており、これまでの物质にはないスピンの応答や制御ができることで、新しい量子现象やスピントロニクス素子开発のアプローチができる分野として、国内外で精力的な研究が行われています。
※2 トポロジカル超伝導体
通常の超伝导は、物质が临界温度を超えて冷却されたときに起こる、电気抵抗がゼロになる现象です。超伝导状态では、电気がエネルギーを失わずに物质中を流れます。トポロジカル超伝导体では、物质内部では、通常の超伝导体と同様に超伝导ギャップが开いているのに対し、その表面や端（エッジ）に、マヨラナ粒子と呼ばれる不纯物に対して顽强な电子状态が现れます。
※3 マヨラナ粒子
1937年にEttore Majorana （エットーレ マヨラナ）が理論的に提案した粒子で、粒子がそれ自身の反粒子になる特徴（粒子-反粒子対称性）を持っています。素粒子ではニュートリノがマヨラナ粒子ではないかと言われていますが、まだ決着がついていません。物質中では、ディラック方程式に従い、さらに粒子-反粒子対称性をもつとみなせる電子状態のことを指します。トポロジカル超伝導体や、磁性三角格子などのエッジ状態（物質の表面や端）に、マヨラナ粒子が発現すると考えられています。
※4 量子コンピュータ
异なる2つ以上の状态を量子力学的に重ね合わせて一度に信号処理する「量子コンピュータ」は、従来のコンピュータでは天文学的な时间のかかる素因数分解の问题などを、数时间で解くような超高速计算が可能になると考えられています。しかし、その计算の途中で、量子力学的な重ね合わせ状态が壊れないように保つ事が大変难しく、これを克服するアイデアとして、不纯物に顽强なマヨラナ粒子を演算素子に利用することが提案されています。そのような环境ノイズに强い量子コンピュータは、トポロジカル量子コンピュータと呼ばれ、トポロジカル超伝导体の最も重要な応用と考えられています。
问い合わせ先
＜研究に関すること＞
东北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史 （さとう たかふみ）
电话：022-217-6169
贰-尘补颈濒：迟-蝉补迟辞*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
＜报道に関すること＞
东北大学材料科学高等研究所
広报?アウトリーチオフィス
萩田 悦子 （はぎた えつこ）
电话：022?217?6146
贰-尘补颈濒：补颈尘谤-辞耻迟谤别补肠丑*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）