【本学研究者情報】

〇大学院工学研究科　助教　正木祐輔
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【発表のポイント】

• 量子コンピュータやスピントロニクスへの応用が期待されているトポロジカル超伝導体の新しいスピン伝導現象を発見しました。
• 試料の両端に温度差をつけることによって、トポロジカル超伝導の原因となるヘリカルクーパー対が、温度勾配と垂直方向に電子スピンの流れを誘起することを理論的に明らかにしました。
• このスピン伝導現象を観測することによって、ヘリカルクーパー対の存在、およびトポロジカル超伝導の実現を立証することが可能となります。以上の成果により、現実物質におけるトポロジカル超伝導やそこで実現するマヨラナ準粒子の理解が進展することが期待されます。

【概要】

大阪大学大学院基礎工学研究科物質創成専攻の大学院生の松下太樹さん（博士後期課程）、安藤慈英さん（博士前期課程）、水島健准教授、藤本聡教授、東北大学大学院工学研究科応用物理学専攻の正木祐輔助教、ルイジアナ州立大学物理学研究科のIlya Vekhter（イリヤ・ベクター）教授は、トポロジカル超伝導体（※1）の起源であるヘリカルクーパー対（※2）に由来したスピン伝導現象を理論的に解明しました。

トポロジカル超伝導体は、マヨラナ準粒子（※3）を実現する舞台として注目を集めています。マヨラナ準粒子はそれ自体が環境ノイズに強い耐性を持つ量子ビットであり、マヨラナ準粒子を活用したトポロジカル量子コンピュータの実現が期待されています。

これまでいくつかのトポロジカル超伝導体の候補物質が提案されてきましたが、いずれの物質でもトポロジカル超伝導の実験的な確証はまだ得られていません。トポロジカル超伝導の立証を難しくしている理由の一つが、トポロジカル超伝導固有の応答や輸送特性の理解が不十分であることです。特に、トポロジカル超伝導の起源となるヘリカルクーパー対（図１）に由来した輸送特性は明らかにされていませんでした。

今回、トポロジカル超伝導体において、ヘリカルクーパー対に直接由来した新しい電子の散乱機構を解明し、それが温度勾配の印加方向と垂直方向にスピン伝導を誘起する、スピンネルンスト効果（図２）*を引き起こすことを明らかにしました。スピンネルンスト効果を現実物質で観測することによって、トポロジカル超伝導の源であるヘリカルクーパー対の存在を立証することができます。今後、現実物質におけるトポロジカル超伝導やマヨラナ準粒子の解明に繋がることが期待されます。

【用語解説】

※1　トポロジカル超伝導体
トポロジカル超伝導体は、電子の量子力学的な状態空間が非自明な位相幾何学的な構造を有する超伝導体である。この位相幾何学的な構造のため、超伝導渦や表面にマヨラナ準粒子状態が現れる。

※2　ヘリカルクーパー対
超伝導体は電子がクーパー対と呼ばれる電子対を形成することによって実現する。クーパー対はスピン自由度の有無によって、スピン一重項対とスピン三重項対に大別される。ヘリカルクーパー対はスピン三重項対の一種であり、上スピン電子対と下スピン電子対が互いに逆向きに円軌道運動をしているクーパー対を指す(図１)。

※3　マヨラナ準粒子
電子などの素粒子には、その電荷などの性質が反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である。マヨラナ粒子は粒子と反粒子が同一という性質を持つ素粒子であり、元々は素粒子物理の分野で提案され、研究されてきた。トポロジカル超伝導体において、マヨラナ粒子は電子波と電子の抜けた穴である正孔の波との重ね合わせとして実現する。マヨラナ粒子状態を用いた新しい仕組みの量子コンピュータの研究が国内外で活発に行われている。

*図2については、下記詳細をご覧ください。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

＜研究に関すること＞
東北大学大学院工学研究科 応用物理学専攻
助教 正木 祐輔
電話: 022-795-5692
Email: yusuke.masaki.c1*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

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東北大学大学院工学研究科情報広報室
担当 沼澤 みどり
電話: 022-795-5898
Email: eng-pr*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）