超伝導複合体ｄ－ｄｏｔにおける半整数量子磁束の構造解析及び量子ビットへの応用

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ナノ構造超伝導複合体d-dotは、s-波超伝導体に微細なd-波超伝導体が埋め込まれた構造をもち、低温化で超伝導状態に転移させるだけで、コーナー接合部分に半整数に量子化された磁束を自発的に生じさせる。先行研究において、２成分Ginzburg-Landau方程式を用いることで、半整数量子磁束が生じることが、現象論的に再現されている。しかし、いくつかの実験における磁場分布の測定結果は、計算とは異なった結果を示している。これは、先行研究では、等方的かつ２次元の系で計算を行っているため、実際の試料に含まれる異方性や欠陥、３次元的な構造による影響を考慮できないからであると考えられる。本研究では、d-dotのシミュレーションモデルを以下のように拡張した。まず、有効質量の異方性を導入することで、拡張された２成分Ginzbug-Landau方程式を導出した。次に、d-波超伝導の領域内に、有効質量が入れ替わる領域を構成することで、考慮すべき重要な欠陥であると考えられる双晶境界を、モデルの中に取り入れた。また以上の改良とは別に、体積座標を用いた有限要素法によって、従来のモデルを３次元へと拡張した。なお、シミュレーションは、Fortranによるプログラムで計算を行い、Mathematica11によって可視化と分析を行なった。拡張された計算モデルを用いたシミュレーションによって、双晶境界の両端において付加的な磁束が生じることが理論的に明らかとなった。また、この付加的な磁束が生じるメカニズムを理論的に明らかにした。３次元へと拡張した計算モデルにおけるシミュレーション結果からは、c-軸方向の異方性が、d-dotにおける半整数量子磁束の発生に寄与していることが示唆された。