【原】使用二维拓扑绝缘体的约瑟夫森结

2023年7月25日

理化学研究所

使用二维拓扑绝缘体的约瑟夫森结

-在设备结构中搜索马约拉那粒子-

理化学研究所(理研)开拓研究总部石桥极微器件工程研究室的罗素·迪康专职研究员(理研创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组专职研究员)、迈克尔·兰德特别研究员、 细田雅之客座研究员(研究当时) (富士通株式会社量子研究所量子硬件核心项目研究员)、石桥幸治主任研究员(理研创开发物性科学研究中心量子效应器件研究小组组长)等共同研究小组，使用拓扑绝缘体[1]二维物质[2]成功制作了约瑟夫森结[3]器件。本研究成果有望为使用器件结构的马约拉那粒子[4]的探索和使用马约拉那粒子的新量子比特[5]的应用做出贡献。 理论上预言的但尚未发现的基本粒子之一，是具有自身与其反粒子[4]相同特征的马约拉那粒子。 理论上预测了这种马约拉纳粒子出现在二维拓扑绝缘体和超导[6]体接触的界面。 此次，联合研究小组使用为数不多的二维拓扑绝缘体之一的二碲化钨( WTe2)的单层膜制作了约瑟夫森结器件，并确认了其基本动作。 在器件制作过程中，使WTe2不与空气接触，另外，找到了获得良好超导极的方法。 结果，成功地观测到了超导电流[6]和约瑟夫森结特有的微波响应。 本研究刊登在科学杂志《Advanced Materials》在线版( 7月24日)上。

约瑟夫森结器件的示意图(左)和从上面看的光学显微镜照片(右)

背景

80多年前就预言其存在，但至今尚未被发现的马约拉那粒子是具有自身及其反粒子相同特征的基本粒子。 理论上预测，这种马约拉那粒子最近会出现在拓扑绝缘体和超导体接触的界面上。 此外，还提出用马约拉那粒子作为拓扑量子计算机[7]的量子位。 我们认为该马拉那量子比特可以稳定地保存量子信息，因此有望作为优秀的量子比特候选。 虽然在几种物质上观测到了被认为是马约拉那粒子征兆的现象，但是要应用于实际的量子比特，需要使用二维拓扑绝缘体在约瑟夫森结等器件结构上进行观测。 约瑟夫森结是两个超导体不直接接触而是极其接近的结构，尽管不直接接触，但由于隧道效应[8]会有超导电流流动。 但目前已知的二维拓扑绝缘体为数不多，其中之一的二碲化钨( WTe2)单层膜容易在空气中老化，而且由于难以形成良好的超导极，所以迄今为止约瑟夫森结器件的制作很困难。

研究方法和成果

联合研究小组通过石墨烯膜制作中使用的技术(使用胶带从层状物质上剥离单层膜得到)制作了WTe2单层膜，制作了具有多个端子的约瑟夫森结器件(图1 )。 该器件制作的重要之处在于，在半导体使用的光刻[9]、绝缘膜堆积[9]、蚀刻[9]的各工序中，为了防止WTe2的劣化，避免使WTe2与空气接触。 另外，研究人员还发现，使WTe2与钯( Pd )接触并提高温度时，被认为是Pd扩散到WTe2中而形成的超导物质( PdTex )将作为能够流过超导电流的良好的超导极发挥作用。 在该物质中，当经由绝缘体(在图1器件中，氧化铝[Al2O3]或六方晶氮化硼[hBN]发挥其作用)施加栅极电压( Vc )时，由于栅极正下方为超导状态(栅极感应超导)，利用它在左右栅极(图1的Vleft和Vright )之间形成了约瑟夫森结。

图1由单层二碲化钨( WTe2)构成约瑟夫森结器件

• (左)约瑟夫森结器件的结构。 使用由六方氮化硼( hBN )膜夹持的单层WTe2膜作为超导电流通道。 向左( Vleft )和右( Vright )栅极施加电压，使其正下方处于超导状态。 约瑟夫森结的强度可以通过结正上方的栅极电压( Vc )来改变。 (右)从上面看约瑟夫森结器件的光学显微镜图像。

接着，为了调查约瑟夫逊结是否实际形成，一边照射0.6千兆赫兹( Ghz，1Ghz为10亿赫兹)的微波一边测量了电流电压特性。 结果，在电流电压特性中观测到了约瑟夫森结特有的阶梯结构(夏皮罗阶[10] )，确认了其作为约瑟夫森结器件进行工作(图2 )。 夏皮罗阶是以约瑟夫逊结特有的hf/2e(h :普朗克常数，f :频率，e :电学量)为单位的，也用于电压标准。

图2照射微波时的电流、电压特性

对调节栅极电压形成的约瑟夫森结照射0.6GHz的微波，测量了电流电压特性。 可以看到约瑟夫森结特有的楼梯结构(夏皮罗台阶)。 随着微波强度的变化，夏皮罗台阶的台阶长度(电流对恒定电压的范围)也会发生变化，这也是约瑟夫森结的特征。 如果夏皮罗台阶上奇数阶台阶(纵轴电压为1、3、5等)消失，则观测到了马约拉那粒子的征兆，但在这次的实验中没有确认。 要观测马约拉那粒子，需要适当调节器件参数，找出马约拉那粒子出现的条件。 此次开发的器件工艺还没有得到充分的再现性和可靠性，这被认为是没有发现马约拉那粒子的理由。

今后的期待

不仅从基础物理研究的角度，而且从使用拓扑量子位[7]在拓扑量子计算机中的应用角度来看，在物质中探索玛拉那粒子也是非常有趣的。 虽然此次未能观测到马约拉那粒子，但本成果将为使用由二维物质构成的器件结构的马约拉那粒子探索开辟道路，并有望在未来实现拓扑量子比特。

补充说明

• 1 .拓扑绝缘体 物质中显示出不通电的绝缘体性质，但其表面是具有通电金属性质的物质(三维物质时)。 在薄薄膜之类的二维拓扑绝缘体中，沿着试料周围的端具有金属性质。 2 .二维物质 这里所说的二维物质是指石墨之类的层状物质。 除了石墨以外，还已知有WTe2等多种二维物质。 3 .约瑟夫逊接合 通过在两个超导体之间夹入非常薄的绝缘体或超导体(不显示超导的物质)，使超导体之间在不直接接触的情况下极其接近的结构。 尽管没有直接接触，但隧道效应会导致不产生电压的超导电流流动(约瑟夫森效应)。 除此之外，还有将超导体的一部分缩小的被称为weeklink的结构等的接合。 4 .马约拉那粒子、反粒子 构成物质的粒子中，存在与其成对的反粒子。 例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。 马约拉纳粒子是1937年意大利理论物理学家埃特·雷马约拉纳博士在理论上预言其存在的幻之基本粒子，具有自身及其反粒子相同的特征。 在2008年的论文中预言了基本粒子世界的马约拉那粒子出现在拓扑绝缘体和超导体的界面上，其探索正在兴起。 5 .量子比特 量子计算机中的位。 相对于普通的古典计算机的比特只能取0和1中的任意一个，量子比特具有除此之外还能够进行“既是0也是1”的0和1的重合状态的特征。 6 .超导、超导电流 超导是以某一温度为界电阻为零的状态。 在这种状态下没有能量的消耗，电流会永久流动。 在超导体状态下，两个电子形成库珀对。 包括超导体及其约瑟夫森结在内的流通电流，不产生电压的电流称为超导电流。 7 .拓扑量子计算机，拓扑量子位 拓扑量子计算机是例如由马约拉那粒子构成的拓扑量子比特(马约拉那量子比特)构成的量子计算机的一种。 与普通的量子比特操作不同，通过移动每个粒子的位置来操作量子比特。 计算结果取决于移动各粒子的路径模式(拓扑)，因此被称为拓扑。 8 .隧道效应 当球在轨道上滚动时，球无法越过超过球所具有能量的山。 这是普通力学中的基本原理，但在描述微粒运动的量子力学世界中是不正确的。 粒子可以穿过并往前走，而不是翻山越岭。 这个现象被称为隧道效应。 9 .光刻、绝缘膜沉积、蚀刻 制作半导体集成电路的标准器件工艺有描绘电路和器件图案的光刻技术、绝缘膜(薄膜)沉积技术、以及去除不需要部分的蚀刻技术等。 10 .夏匹罗舞步 在对约瑟夫森结照射频率为f的微波的同时测量电流电压特性时，可以观测到电压值为hf/2e的阶梯状特性。 这个台阶特性被称为夏皮罗台阶。

联合研究组

理化研究所 开拓研究总部石桥极微器件工程研究室 专职研究员罗素·迪康( Russell S. Deacon ) (创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组专职研究员) 特别研究员迈克尔·兰德尔( Michael D. Randle ) 主任研究员石桥幸治 (创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组组长) 客座研究员(研究当时)细田雅之 (富士通株式会社量子研究所量子硬件核心项目研究员) 客座研究员(研究当时)大伴真名步 (富士通株式会社量子研究所量子硬件核心项目高级研究经理) 客座研究员(研究当时)河口研一 (富士通株式会社量子研究所量子硬件核心项目研究总监) 创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组 基础科学特别研究员帕特里克·茨雷肯斯( Patrick Zellekens ) 富士通株式会社富士通研究所法罗(兼)量子研究所所长 佐藤信太郎 物质材料研究机构( NIMS ) 电子光功能材料研究中心 特命研究员渡边贤司 纳米工程材料研究中心 中心长谷口尚 东京工业大学科学技术创成研究院 副教授笹川崇男 研究生(研究当时)冈崎尚太

研究支援

研究支援 本研究由日本学术振兴会( JSPS )科学研究经费资助事业( N19H00867、19H05610、19H05790、20H00354、21H05233、21H04652、21K18181、21H05236、H0205223)、理化学研究所富士通共同研究费(代表:石桥幸治、佐藤信太郎)的资助下进行。

原论文信息

• Michael D. Randle, Masayuki Hosoda, Russell S. Deacon, Manabu Ohtomo Patrick Zellekens, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Shota Okazaki Takao Sasagawa, Kenichi Kawaguchi, Shintaro Sato, Koji Ishibashi, "Gate-defined Josephson weak-links in monolayer WTe2", Advanced Materials, 10.1002/adma.202301683

主讲人

理化研究所 开拓研究总部石桥极微器件工程研究室 专职研究员罗素·迪康( Russell S. Deacon ) (创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组专职研究员) 特别研究员迈克尔·兰德尔( Michael D. Randle ) 客座研究员(研究当时)细田雅之 (富士通株式会社量子研究所量子硬件核心项目研究员) 主任研究员石桥幸治 (创发物性科学研究中心量子效应器件研究小组组长)