東大ら，トポロジカル絶縁体による４π周期の超伝導状態を観測

JST国際科学技術共同研究推進事業（戦略的国際共同研究プログラム）の一環として，東京大学，理化学研究所（理研），大阪大学，独ビュルツブルグ大学らのグループは，トポロジカル絶縁体と超伝導体の接合において，エネルギーがゼロとなる状態を持つアンドレーフ束縛状態を観測することに世界で初めて成功した（ニュースリリース）。

マヨラナ粒子を用いるとエラーの影響を受けにくい量子コンピューティングの開発が可能になることから，マヨラナ粒子の検証に向けて，世界的に集中的な研究が行なわれている。トポロジカル絶縁体と超伝導体の接合はその検証実験ための有力な試料構造とされているが，ほとんど研究が進んでいなかった。

研究グループは，典型的なトポロジカル絶縁体であるHgTeを2つの超伝導体電極（ニオブ：Nb）で挟んだ，ジョセフソン接合を使って，エネルギーがゼロとなる状態を持つアンドレーフ束縛状態，“ギャップレス”アンドレーフ束縛状態の観測を目指した。HgTeはさまざまなトポロジカル絶縁体の中でも，最も優れたトポロジカル表面の電気伝導特性を示す材料であり，最適の超伝導接合を形成できる。

研究グループの実験では，超伝導電流の超伝導位相に対する周期性を調べることにより，“ギャップレス”アンドレーフ束縛状態の存在を示す強い証拠が捉えられた。

実験は半導体結晶（テルル化カドミウム：CdTe）基板の上に歪み成長させたHgTe層からなる3次元トポロジカル絶縁体を用いて行なった。このHgTe層に超伝導体のニオブの対向電極を取り付けることによりジョセフソン接合を作った。

この試料を温度1K（ケルビン）以下に冷やすと，2つの電極間にはジョセフソン効果による超伝導電流が流れる。シャピロステップは高周波電圧（周波数ｆ）を試料に加えて測定した。

マイクロ波の周波数をパラメータとして測定したところ，周波数が高いときは（hf／2e）を単位とする通常の電圧ステップが見えるが，周波数を下げていくと，予想通り，第一シャピロステップが消えてステップが2倍の値（hf／e）になることを見いだした。

この成果の重要性は，素粒子物理学において長年にわたって探索されてきた不可思議な粒子，マヨラナ粒子が固体系で示すべき性質解明に重要な知見を与え，また，HgTeがマヨラナ粒子の性質を探索するための有用な材料であることを示した点にあるという。

今後，東京大学のグループは，材料を現在の3次元から2次元のHgTeに移行することを予定している。材料の次元を下げてトポロジカル絶縁体の性質が電気伝導に反映されやすくすることにより，より鮮明にマヨラナ粒子の性質をとらえ，それを基にマヨラナ粒子の制御法を開発すること，さらには環境雑音に強いトポロジカル量子コンピューターの基本原理を確認することを目指す。