東大ら,超伝導体のトポロジーの判定法確立

東京大学,米マサチューセッツ工科大学の研究グループは,トポロジカル超伝導体の新候補物質の探索に役立つ包括的な理論を提案した(ニュースリリース)。

従来,物質は電気伝導性や磁性などの性質に着目して分類されていた。しかし今世紀に入り,「トポロジー」によって物質の性質が大きく異なることが明らかになり,物質のトポロジカルな性質は世界中で活発に研究されるようになった。

トポロジカル相の例である「トポロジカル超伝導体」は,その表面や端にマヨラナ粒子が現れるという,通常の超伝導体とは異なる性質を示す。現在でも,マヨラナ粒子の検出と制御による次世代の量子コンピューターを実現するために,トポロジカル超伝導体の探索が求められているが,実際にトポロジカル超伝導性を示すと確認されている物質はほとんど無いのが現状となる。

各々の物質の持つトポロジーを直接計算したり実験的に判定したりすることは一般に非常に難しい。しかしその物質の持つ結晶対称性の表現に着目することで,その物質のトポロジーを容易に判定する手法が近年確立された。

この手法は「対称性指標」と呼ばれ,実際にこれを用いて「トポロジカル絶縁体」の候補物質が数多く発見された。この手法を絶縁体だけでなく超伝導体へと拡張しようとする試みはこれまでもあったものの,さまざまな課題が残されていた。

この研究では対称性指標の方法論を一般的な形で超伝導体へと拡張することに世界で初めて成功した。具体的には,全4196種類の超伝導体の対称性のそれぞれに対し,トポロジカル超伝導体を結晶対称性の表現に基づいて系統的に分類した。

これにより与えられた超伝導体がトポロジカルかどうかを簡便に調べることが可能になり,「トポロジカル結晶超伝導体」や「高次トポロジカル超伝導体」などさまざまな種類のトポロジカル超伝導体の候補物質を探索する指針となる。

近年活発に研究が行なわれているデータ駆動的な物質探索と組み合わせることで,トポロジカル超伝導体候補物質が発見され,将来的な量子コンピューターの実用化につながるとしている。

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