隨着包含生成式AI在内的資訊科技的隊形變換，爲了能即時處理爆炸性增長的海量資料，現有設備需要在功能上實施飛躍性提升，同時還需要降低功耗、提高整合度，所以迫切需要一種能夠從根本上改變資訊處理方式的量子運算模式。拓撲超導作爲實施故障容許度量子計算中量子位元的有力候選——「馬約拉納準粒子」所需的關鍵材料平台而受到極大關注。以往關於拓撲超導的研究中，利用的是拓撲絕緣體（TI）和拓撲狄拉克半金屬（TDS）等拓撲非平凡材料與傳統超導體的複合結構中的近接效應。爲了打造大規模數子計算所需的材料平台，必須要構建拓撲材料和超導體之間的高質量界面、材料製備和器件加工簡便且成本低廉、具備進行奈米級精密加工的能力的條件。然而，滿足這些要求至今仍非常困難。
圖1：本研究開發的α-Sn/β-Sn平面奈米結構製造方法（供圖：東京大學）
透過照射Ga聚焦離子束（FIB），可以在任意位置以任意形狀引發從拓撲狄拉克半金屬α-Sn向超導金屬β-Sn的相變（左）。掃描電子顯微鏡（SEM）影像爲使用該方法製作的由β-Sn/α-Sn（寬70nm）/β-Sn組成的約瑟夫森結（中），以及嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn奈米細線（寬180nm，右）。
東京大學研究生院工學系研究科附屬自旋電子學學術合作研究教育中心的Le Duc Anh副教授、小林正起副教授、田中雅明教授、研究生（研究當時）石原奎太、研究生堀田智貴、研究生（研究當時）稻垣洸大、研究生牧秀樹、研究生佐伯崇寬等的研究團隊，透過對拓撲狄拉克半金屬（TDS）α-Sn薄膜照射聚焦至數奈米的細粒子束，以離子碰撞產生的熱量使α-Sn相變爲β-Sn，實施了在α-Sn膜面内部的任意位置形成任意形狀的超導體β-Sn奈米結構的新技術。利用該技術，研究團隊成功製造了由超導體β-Sn/TDSα-Sn（70奈米）/超導體β-Sn組成的約瑟夫森結結構，以及嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn奈米細線（寬度180奈米）結構。憑藉熱量形成的β-Sn/α-Sn界面原子級峻峭且雜質混入減量，質量優於既往的製造方法。
此外，在嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn超導納米細線中，當在細線平行方向上施加磁場的狀態下改變電流方向時，奈米細線的超導臨界電流變化半徑達到了70%。也就是說，在電流沿某一方向流過奈米細線時，細線處於電阻爲零的超導狀態，而當電流沿反方向流動時，細線處於電阻不爲零的常導狀態。由此，研究團隊發現該材料可以起到超導二極體元件的作用。這種超導二極體效應的形成終極因數被認爲是在β-Sn界面附近的近接效應下導致TDSα-Sn的拓撲電子狀態變爲超導狀態。該實驗首次證實了Sn基超導體/TDS異質接面具有豐富物性的功能。
研究團隊開發的由Sn基超導體/拓撲材料組成的異質接面構，由於其製造方法簡單且具有高質量的結晶性和界面，有望作爲一種實施可以規模化的量子計算技術的拓撲量子計算電路平台材料。
本研究的成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Large superconducting diode effect in ion-beam patterned Sn-based superconductor nanowire/topological Dirac semimetal planar heterostructures
DOI：10.1038/s41467-024-52080-4
