キタエフ模型に基づく新奇デバイスの理論的提案

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キタエフ模型には量子スピン型と1次元p波超伝導型の2種類が知られており，どちらもマヨラナ準粒子を伴う．本申請課題においては，これら二つのキタエフ模型を基にした，braidingを伴わない量子計算素子や，マヨラナ準粒子によるスピンまたは量子位相伝播を利用した論理ゲート等の理論的提案を行い，その特性やノイズ耐性の評価および，第一原理計算を援用した材料探索までを包含した，キタエフ模型の実用化に関する新たなアプローチを展開する．まず1次元p波キタエフ模型に関しては，この模型を平行に配置したワイヤー対を一つのユニットとみなし，さらにこのユニット間のジョセフソン接合素子を調べてきた．初年度の研究により，ユニット間の結合強度およびワイヤー対間の位相差を制御することにより，トポロジカルジョセフソン特性をはじめ，通常の0接合と呼ばれる特性，さらにはπ接合と呼ばれる特性が得られることを見出した．このようにジョセフソン効果の位相-電流特性を外的に制御できる系は，超伝導量子計算メモリ等への応用が期待される. また，2年目の研究により，こうした多様なジョセフソン電流特性が現れる機構を，マヨラナ準粒子の描像に基づく解析により明らかにすることができた．続いて，量子スピン型キタエフ模型に関しては，遍歴マヨラナ粒子による磁気励起伝播の応用可能性について調べてきた．キタエフ模型における磁気励起を運ぶのは電気的に中性の遍歴マヨラナ粒子である．初年度の研究により，キタエフ模型に外部磁場を印加してマヨラナ粒子にエネルギーギャップを与えることにより，磁気励起伝播のON/OFFが可能であることを見出した．また，2年目の研究により，キャリアをドープした量子スピン型キタエフ模型において，回転対称性の破れたスピン3重項の超伝導状態が発現しうることを見出した．