世界初、分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射の観測に成功

日本電信電話株式会社（ＮＴＴ）と科学技術振興機構（ＪＳＴ）は、フランス国立科学研究センター エクス＝マルセイユ大学と共同で、半導体を用いて電子１個よりも小さな電荷（分数電荷準粒子）のアンドレーエフ反射を観測することに成功しました。これは２次元電子系が低温・強磁場中で示す分数量子ホール状態において、分数電荷準粒子が界面に入射する際、電子が透過し、分数電荷を持つ正孔が反射される現象です。これまでアンドレーエフ反射は超伝導体に特有の現象と考えられてきました。超伝導体では２つの電子がペア（クーパーペア）を作って電流を運ぶため、電子が超伝導体に入射する際、電子のペアが透過し、電荷を保存するように正孔が反射されます。超伝導体以外の物質におけるアンドレーエフ反射の可能性は１９９０年代に理論的に指摘されていましたが、理想的な界面を作ることが難しく、実験では観測されていませんでした。今回の実験により、半導体において、かつ分数電荷でもアンドレーエフ反射が起こることが明らかになり、現象の普遍性が示されました。分数電荷準粒子はトポロジカル量子計算への応用も期待されています。本成果は、分数量子ホール状態と通常伝導体の界面における電荷移動メカニズムを明らかにするもので、準粒子を操作する量子情報デバイスの実現に向けて重要な知見を与えるものです。

本研究成果は、２０２１年５月１４日英国科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」にオンラインで掲載されます。