Creation of novel quantum devices utilizing thin film topological superconductors

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本研究課題では、薄膜のトポロジカル超伝導体に焦点を当てています。薄膜物質であれば、微細加工によって人工的にデザインしたメゾスコピック系の素子に組み込むことが可能です。メゾスコピック系の素子を用いることで、輸送測定から超伝導秩序変数の情報が取得できます。本研究課題では、メゾスコピック系の素子においてトポロジカル超伝導体に特有の輸送現象を観測することを目指してきました。トポロジカル超伝導体にはカイラル超伝導体とヘリカル超伝導体の２種類が存在しますが、本研究ではカイラル超伝導体の有力な候補であるBi/Ni薄膜について主に研究を進めてきました。令和4年度は、前年度までで得られたBi/Ni薄膜超伝導体を微小なリング型素子に加工したデバイスにおけるLittle-Parks(LP)振動の磁場印加による位相変化について、理論家と共同で考察を進めました。これまでの理論では、カイラル超伝導体を仮定した場合でもLP振動の位相変化を再現できませんでしたが、その理論の仮定の中にBi/Ni薄膜のスピン軌道相互作用と磁気モーメントを考慮したところ、実験結果を再現することができました。このことから、Bi/Ni薄膜がカイラル超伝導体であるという予想に矛盾しない実験的根拠が得られたとともに、磁場印加によるLP振動の位相変化という前例のない現象の説明が可能になりました。このようなLP振動の位相変化は、トポロジカル超伝導体を用いたナノスケールの量子デバイスに新奇な機能を付与する可能性があります。また、同じくトポロジカル超伝導体の候補であるPtBi2にSeをドープした試料に対して上部臨界磁場の測定を行い、特徴的なヒステリシスを観測しました。このヒステリシスに対して試料への磁束の侵入を詳細に検討しながら解析を行ったところ、この試料中での磁束のダイナミクスが明らかになりました。