ペンシルベニア州立大学の研究者らは、特殊な電気的特性を持つ物質を融合させ、カイラルマヨラナと呼ばれる謎の理論粒子の特性を示す新材料を作り出すことに成功した。この新しい融合材料の特性は、将来、より強固な量子コンピューターの構築に利用できる可能性がある。
1937年に初めて仮説が立てられたマヨラナ粒子は、反粒子としても働くことができる理論上の素粒子である。この概念は1世紀近く理論にとどまっていたが、量子コンピューターが台頭するにつれて重要性を増している。
データを0か1のいずれかで保存する従来のコンピューターとは異なり、量子コンピューターは量子ビットまたは量子ビットと呼ばれる様々な可能性のある状態で同時に保存することができる。これにより、実行可能な計算の規模が大きくなる一方で、計算に伴うエラーの可能性も高くなる。研究者たちは、マヨナラ粒子が反粒子を持つ量子ビットとして機能することで、量子コンピューターがより強固なものになると考えている。
量子コンピューティングのためのユニークな超伝導体
超伝導体は内部抵抗のない物質である。現在、デジタル回路や、MRI装置や粒子加速器などの強力な磁石に使われている。磁性トポロジカル絶縁体（原子数個分の厚さしかないが、電子の動きを制限する性質を持つ材料）と組み合わせると、この2つの材料がカイラルなトポロジカル超伝導体を形成する。
この新材料のトポロジー、つまり特殊な形状と対称性は、超伝導体にいくつかのユニークな特性を与え、それを利用して古典的な量子コンピューターよりも堅牢なトポロジカル量子コンピューターを構築することができる。超伝導体の電気的特性が量子システムからの情報の損失を防ぐからである。
「カイラルトポロジカル超伝導体の創製は、トポロジカル量子計算への重要な一歩であり、その規模を拡大することで広く利用できるようになる」と、この研究に携わったペンシルベニア州立大学のCui-Zu Chang物理学准教授は語った。
融合材料はどのようにして作られたのか？
カイラルトポロジカル超伝導には、超伝導、強磁性、トポロジカル秩序という3つの性質がある。研究者たちは、この3つの性質を持つ核融合材料を作り出すために、分子線エピタキシー法という方法を用いた。
このアプローチにより、研究チームは鉄系超伝導体であるテルル化鉄（FeTe）とトポロジカル絶縁体を積み重ねることができた。この絶縁体は、電子が同じようにスピンする強磁性体であった。同時にFeTeは、電子が交互に回転する反強磁性体でもある。
研究チームは、さまざまなイメージング技術やその他の方法を用いて、核融合材料がカイラルトポロジカル超伝導体と呼ぶのに必要な3つの性質をすべて備えていることを確認した。この分野におけるこれまでの研究では、超伝導体と非磁性絶縁体の融合が実証されているが、今回のケースでは、研究チームは超伝導体と磁性絶縁体を組み合わせることに成功した。
「超伝導と強磁性は互いに競合するため、強磁性材料系で強固な超伝導を見いだすことは稀です。この系における超伝導は、強磁性に対して非常に頑強です。超伝導を除去するには、非常に強い磁場が必要です」と、ペンシルベニア州立大学物理学教授のChao-Xing Liu氏はプレスリリースで付け加えた。研究者たちは、この物質で超伝導と強磁性がどのように共存しているのか、まだ解明していない。
最近、物質科学の分野は、十分な科学的検証を経ないまま、大げさな主張がなされ、波乱の時代を経験した。このことを踏まえ、「私たちの分野では、このようなとらえどころのない粒子を見つけようとする試みは険しい過去がありましたが、これはマヨナラ物理学を探求するための有望なプラットフォームだと考えています」と、Chang氏は述べている。
論文
参考文献
- Pennsylvania State University: Combining materials may support unique superconductivity for quantum computing
研究の要旨
2つの異なる物質の界面は、予期せぬ量子現象を示すことがある。本研究では、分子線エピタキシー法を用いて、強磁性トポロジカル絶縁体（TI）と反強磁性鉄カルコゲナイド（FeTe）という2つの磁性材料を積層したヘテロ構造を合成した。我々は、これらのヘテロ構造における界面誘起超伝導の発現を観測し、磁性TI層における超伝導、強磁性、トポロジカルバンド構造の共存を実証した。強磁性と超伝導の特異な共存は、低温において従来の超伝導体のパウリ常磁性限界を超える高い上部臨界磁場を伴っている。強固な超伝導と原子レベルでシャープな界面を持つこれらの磁性TI/FeTeヘテロ構造は、キラルTSCとマヨナラ物理の探求のための理想的なウェハースケールプラットフォームを提供する。
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