,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和元年６月２１日

理化学研究所
東京大学
東北大学 金属材料研究所
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

トポロジカル物質で超伝導ダイオードを実現

～トポロジカル超伝導体の電子状態解明に向けて～

理化学研究所（理研） 創発物性科学研究センター 強相関物性研究グループの安田 憲司　客員研究員（マサチューセッツ工科大学　博士研究員）、十倉 好紀　グループディレクター（東京大学 大学院工学系研究科　教授）、強相関界面研究グループの川﨑 雅司　グループディレクター（東京大学 大学院工学系研究科　教授）、東北大学 金属材料研究所の塚﨑 敦　教授らの共同研究グループ※は、トポロジカル絶縁体注１）の超伝導注２）界面において、超伝導電流の整流効果注３）を観測しました。

本研究成果は、トポロジカル超伝導体の電子状態の解明に貢献するほか、超伝導電流を効果的に制御する整流素子として活用できると期待できます。

トポロジカル絶縁体と超伝導体を接合したトポロジカル超伝導体注４）を用いることで、擾乱（じょうらん）に対して堅牢なトポロジカル量子計算注５）が可能になることが理論的に提案されており、現在盛んに研究が進められています。

今回、共同研究グループは、その電子状態を調べるため、トポロジカル絶縁体表面状態と超伝導が共存しているＦｅＴｅ（Ｆｅ：鉄、Ｔｅ：テルル）とＢｉ２Ｔｅ３（Ｂｉ：ビスマス、Ｔｅ：テルル）の積層界面に着目しました。超伝導界面と平行（面内）に磁場を加えて抵抗を測定したところ、部分的に超伝導の発現した状態でのみ、電流の方向に依存して抵抗が変化する整流効果（ダイオード効果）が現れることが分かりました。詳細な測定と理論計算から、スピン運動量ロッキング注１）した表面状態の電子が特殊な超伝導状態を実現していることが明らかになりました。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」（６月２１日付け：日本時間６月２１日）に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）「二次元機能性原子・分子薄膜の創製と利用に資する基盤技術の創出」（研究統括：黒部 篤）における研究課題「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成（研究代表者：川﨑 雅司）」などによる支援を受けて行われました。

※共同研究グループ

＜研究の背景＞

近年、数学に端を発するトポロジー（位相幾何学）の概念を物質科学に適用することで、特別な電子構造を持つトポロジカル物質が新たに発見され、その特異な物性やそれらを用いた新たな機能性が次々と明らかになっています。その代表的な例であるトポロジカル絶縁体は、物質内部は絶縁体ですが、その表面は電気を流す金属的な性質を持っています。特にその表面状態では、電子のスピンが電子の運動方向に対して必ず垂直方向を向くという、スピン運動量ロッキングと呼ばれる興味深い性質が知られています。

このような特殊な表面状態を磁石（磁性体）や超伝導体と組み合わせることで、これまでにない物性や機能性を生み出せると期待されています。実際、トポロジカル絶縁体に磁性の性質を持たせることで、既存物質の性能を超えるスピントロニクス注６）機能性や、エネルギー散逸の極めて少ない電気伝導が実現することが明らかになってきました。

一方で、トポロジカル絶縁体と超伝導体を組み合わせることにより、通常の超伝導体と異なるトポロジカル超伝導体の実現が予言されています。トポロジカル超伝導では、粒子とその反粒子が同一であるマヨラナ粒子注７）と呼ばれる特殊な粒子の発現が理論的に提案されており、これを用いることで擾乱に対して堅牢なトポロジカル量子計算が可能になると期待されています。しかし、適切な物質系の確立や電子状態の理解、並びに特殊な電子状態を用いた新機能性の制御など、未開拓な部分が多く、さらなる研究による解明が求められていました。

＜研究手法と成果＞

共同研究グループは、トポロジカル絶縁体と超伝導体の相互作用を研究するため、ＦｅＴｅ（Ｆｅ：鉄、Ｔｅ：テルル）とＢｉ２Ｔｅ３（Ｂｉ：ビスマス、Ｔｅ：テルル）の積層界面に着目しました。いずれの物質も単体では超伝導を示しませんが、これらの積層界面では超伝導を発現することが明らかになっています。さらに、この界面にはトポロジカル絶縁体表面状態が存在することから、その表面状態と超伝導との相互作用を研究することに適しています。分子線エピタキシー法注８）を用いてＦｅＴｅとＢｉ２Ｔｅ３の積層構造を作製し、試料を極低温で測定したところ、７Ｋ（約－２６６℃）程度で抵抗が０となり、界面において超伝導が発現していることを確認しました（図１ａ）。

そこで超伝導状態の理解を深めるため、界面に平行（面内）に磁場を加えた状態で、整流効果（ダイオード効果）を、図２の赤方向電流下での抵抗と青方向電流下での抵抗の差分に対応する、非相反抵抗を通して測定しました。常伝導状態では、非相反抵抗は０であるのに対し、部分的に超伝導に転移した温度では、有限な非相反抵抗が生じ、整流効果が現れました（図１ｂ）。特に、磁場方向の反転に伴って、非相反抵抗の符号が反転する重要な性質を確認しました。これは、超伝導電流の流れやすい方向を外部から加える磁場の方向で制御できることを意味しています。

さらに、磁場方位をさまざまに変えて非相反抵抗を測定したところ、電流に対して磁場が面内方向かつ垂直方向という条件を満たす場合にのみ、このような非相反抵抗を生じることが確認されました。これは、トポロジカル絶縁体表面状態のスピン運動量ロッキングが整流効果の起源になっていることを示しています。またこれは、Ｂｉ２Ｔｅ３の厚さを薄くした試料で同様の測定を行った際に、表面状態の消失に伴って非相反抵抗が一桁程度小さくなったこととも対応しています。

そこで、超伝導を付与したトポロジカル表面状態のモデルに対し、理論計算を行い、その値と比較したところ、非相反抵抗の大きさを示すパラメーターの温度依存性が理論計算から得られた振る舞いとよく一致することが分かりました。このような非相反抵抗の発現は、直観的には、スピン運動量ロッキングのため、磁場を加えた場合に、そのスピンの方向に対応する運動量の方向に、電流が流れやすくなることとして理解することができます。

＜今後の期待＞

本研究結果から、トポロジカル絶縁体と超伝導体との接合によって、超伝導電流の流れる方向を効果的に制御できることが明らかになりました。これは、磁場で制御可能な超伝導電流のダイオードとして応用できると期待できます。

また、本研究によって、スピン運動量ロッキングと超伝導の相互作用の理解が深まったことで、トポロジカル超伝導体、マヨラナ粒子やトポロジカル量子計算の実現に向け、一層の研究が進展することが期待できます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）トポロジカル絶縁体、スピン運動量ロッキング
トポロジカル絶縁体は固体内部では電気を流さない絶縁体であるが、物質表面でのみ電気を流す金属として振る舞う。表面を流れる電子は、そのスピンの方向が運動方向に対して常に垂直の方向に向くというスピン運動量ロッキングと呼ばれる性質を持っており、通常の金属や半導体、絶縁体とは異なる興味深い種々の物性が現れる。電子状態を位相幾何学的に特徴づけたときに特徴的なトポロジカル数を持つことからトポロジカル絶縁体と呼ばれる。
注２）超伝導
通常の導体と異なり、電気抵抗が０でエネルギー散逸なく電流が流れる状態。
注３）整流効果
電流の方向によって、電流の流れやすさ（抵抗）が異なる効果のこと。最も代表的なものにｐ型半導体とｎ型半導体を接合したｐｎ接合ダイオード素子があるが、近年では固体中の電子の相対論的効果を用いることで、磁場で制御可能な整流効果を生じることが明らかになっている。
注４）トポロジカル超伝導体
通常の超伝導体と異なるトポロジカル数を持つ超伝導体。トポロジカル絶縁体と超伝導体を接合することで実現できると考えられている。試料の端や位相欠陥にマヨラナ粒子と呼ばれる特殊な粒子が生じ、この粒子を操作することで擾乱に対して堅牢なトポロジカル量子計算が可能となることが理論的に提案されている。
注５）トポロジカル量子計算
量子力学的な重ね合わせ状態を用いることで、大規模な計算を高速に行うことができるコンピュータを量子コンピュータという。量子コンピュータの実現に向けた大きな課題の１つに、外界からの擾乱によって重ね合わせが失われるデコヒーレンスの問題がある。トポロジカル超伝導体に潜むマヨラナ粒子を制御することで、デコヒーレンスの起こりにくい、擾乱に対して堅牢なトポロジカル量子計算が実現できると期待されている。
注６）スピントロニクス
電子は電荷（ｅ－）と磁石（スピン）の両方の性質を持つ。このうち電荷のみの性質が利用されてきた通常のエレクトロニクスと異なり、電荷と磁石の両方の性質を電子素子などに応用する技術や学問をスピントロニクスという。トポロジカル絶縁体は、表面状態にスピン偏極した電流が流れることから高効率なスピントロニクスに応用できることが明らかになっている。
注７）マヨラナ粒子
物質を構成する粒子には、それに対となる反粒子が存在する。例えば、電子の反粒子は陽電子、陽子の反粒子は反陽子である。マヨラナ粒子は、反粒子が粒子と同一となるフェルミ粒子の性質を持つ。マヨラナ粒子は他の粒子と異なる統計性を示し、この性質がトポロジカル量子計算に利用できると期待されている。
注８）分子線エピタキシー法
高品質な薄膜を成長させる方法の１つ。超高真空（～１０－７パスカル、Ｐａ）中で高純度の単体を加熱蒸発させ、加熱した基板上で結晶成長させる。

＜論文タイトル＞

“Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface”
著者名：K. Yasuda, H. Yasuda, T. Liang, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, Masashi Kawasaki, Y. Tokura
ＤＯＩ：10.1038/s41467-019-10658-3

＜お問い合わせ先＞

（英文）“Nonreciprocal charge transport at topological insulator/superconductor interface”

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