ナノ構造におけるスピンに依存した伝導の理論的研究

本年度はまず、強磁性ジョセフソン接合を利用した新奇な量子計算素子(量子ビット)の提案を行った。強磁性ジョセフソン接合では、系に形成されるアンドレーエフ束縛状態がスピン分裂するため、ジョセフソン電流の位相依存性が通常のジョセフソン接合での依存性からπだけずれる。これをπ接合と呼ぶが、我々はπ接合と通常のジョセフソン接合(0接合)を含んだ超伝導リングを考え、この系におけるポテンシャルがπ接合と0接合の競合により、位相空間において縮退した2つの最小値をもつことを示した。そしてこの2つの状態間の量子的なトンネル効果により結合・反結合状態が形成され、これらの状態が量子計算のためのビットとして用いられる。これらの状態はマイクロ波を用いて制御され、超伝導量子干渉素子(SQUID)により状態を検出できる。また多量子ビット間の磁気的な相互作用を利用して、万能量子ゲートの構築も可能である。従来の超伝導量子ビットには、定常的な外部磁場が必要であるという問題点があったが、本提案ではπ接合を用いることでビットの形成に外部磁場を必要としないという大きな利点がある。外部磁場を必要としないため、より小さな量子ビットをつくることができ、周囲の環境との結合によるデコヒーレンスの効果が抑制されることが期待される。次に我々は、0状態とπ状態を電流により制御可能な、新しいジョセフソン素子の提案を行った。従来の強磁性ジョセフソン接合では、温度または強磁性体の膜厚によってのみ0-π状態が制御されていた。しかし量子ビット等のデバイスへの応用には、電気的に0-π状態を制御できることが望ましい。そこで本提案では、強磁性体から注入されるスピン流によって常伝導体中に生じるスピン蓄積を用いることにより、超伝導/常伝導/超伝導接合における0-π状態の電気的な制御が可能であることを示した。

本年度はまず、強磁性ジョセフソン接合を利用した新奇な量子計算素子(量子ビット)の提案を行った。強磁性ジョセフソン接合では、系に形成されるアンドレーエフ束縛状態がスピン分裂するため、ジョセフソン電流の位相依存性が通常のジョセフソン接合での依存性からπだけずれる。これをπ接合と呼ぶが、我々はπ接合と通常のジョセフソン接合(0接合)を含んだ超伝導リングを考え、この系におけるポテンシャルがπ接合と0接合の競合により、位相空間において縮退した2つの最小値をもつことを示した。そしてこの2つの状態間の量子的なトンネル効果により結合・反結合状態が形成され、これらの状態が量子計算のためのビットとして用いられる。これらの状態はマイクロ波を用いて制御され、超伝導量子干渉素子(SQUID)により状態を検出できる。また多量子ビット間の磁気的な相互作用を利用して、万能量子ゲートの構築も可能である。従来の超伝導量子ビットには、定常的な外部磁場が必要であるという問題点があったが、本提案ではπ接合を用いることでビットの形成に外部磁場を必要としないという大きな利点がある。外部磁場を必要としないため、より小さな量子ビットをつくることができ、周囲の環境との結合によるデコヒーレンスの効果が抑制されることが期待される。次に我々は、0状態とπ状態を電流により制御可能な、新しいジョセフソン素子の提案を行った。従来の強磁性ジョセフソン接合では、温度または強磁性体の膜厚によってのみ0-π状態が制御されていた。しかし量子ビット等のデバイスへの応用には、電気的に0-π状態を制御できることが望ましい。そこで本提案では、強磁性体から注入されるスピン流によって常伝導体中に生じるスピン蓄積を用いることにより、超伝導/常伝導/超伝導接合における0-π状態の電気的な制御が可能であることを示した。