物性物理学：位相制御されたジョセフソン接合におけるトポロジカル超伝導

トポロジカル超伝導体の境界には、局在したマヨラナ状態が存在し得る。この準粒子励起は非アーベル統計に従い、これを使うと、トポロジカルに保護された方法で量子情報を符号化し操作することができる。マヨラナ束縛状態の特徴は一次元系で観測されているものの、パラメーターを微細に調整する必要がなく多数の状態へ容易に拡張できる別のプラットフォームを見いだす取り組みが続けられている。本論文では、マヨラナ束縛状態の二次元アーキテクチャーに向けた実験手法を示す。薄膜アルミニウムと結合したHgTe量子井戸からなるジョセフソン接合を用い、ジョセフソン接合にまたがる位相差を制御し、面内磁場をかけることによって、自明な超伝導状態とトポロジカル超伝導状態の間の転移の調整が可能になった。我々は、その結果生じた超伝導体のトポロジカル状態を、ジョセフソン接合の端のトンネリングコンダクタンスを測定することで決定した。低磁場では、ゼロバイアス近くでトンネルリングスペクトルに極小が観測され、これは自明な超伝導体と一致する。これに対し、磁場が増大するにつれ、トンネリングコンダクタンスにゼロバイアスピークが発達し、このピークは、磁場の増大とともに系統的に広がる広範囲の位相差にわたって存続した。今回の観測結果は、この系に関する理論予測や、寸法とパラメーターが類似したモデル系について行った完全に量子力学的な数値シミュレーションと一致する。今回の研究によって、この系が、トポロジカル超伝導の実現の他、マヨラナモードを生成・操作して、二次元系のトポロジカル超伝導相を調べるための有望なプラットフォームとなることが確立された。

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