PRL2025を読む
［イントロ］
AIの進化により論文の作成が容易になり、投稿論文が急増することで、旧来の査読システムの維持の困難となる課題が生じています。
増大する論文の中から読むべき論文を見つける、キュレーションの価値がこれまでよりもさらに増していると言えるでしょう。
最強のキュレーターは誰でしょう？それはすなわち、最高の論文誌の編集者でしょう。
本記事では、物理学の最高峰Physical Review Letter誌の選ぶ2025年のオススメ論文集、PRL2025に選抜された凝縮物性物理論文について、内容を読んでみました。
そもそもPRL2025って何？ということですが、Physical Review Letter誌の該当ページの説明には以下とあります。
『フィジカル・レビュー・レターズ』（PRL）は毎年、約52号にわたって約2500本のレターを掲載しています。そのうち約6分の1を「編集者のおすすめ」として選んでいます。それでも読むにはかなりの量です。そこで、2年連続で、1号分のレターを厳選してコレクションとして公開することにしました。今後も毎年、このようなコレクションを公開していく予定です。こちらが2025年の「年間ベストコレクション」です。PRLが扱う基礎および応用物理科学の幅広い分野から、特に優れた論文を集めました。
PRLのEditors' Suggestionsって1/6の確率なんですね、むしろそちらに驚きです。
閑話休題。
PRL2025は、通常のPRLと同様、カテゴリ別に選抜がなされています。
本記事では、このうち凝縮物性に該当するPhysics of condensed matter and materialsに着目し、該当論文16件をチェックしてみました。
内容の概説はArxiv版を読んだうえでのものとなっていることをご留意ください。
また、日本人著者と思われるお名前は太字にしています。
やっぱりNIMSのW&Tが優勝！
PRL編集者注目の最先端論文、どの論文も勉強になりました。月並みな感想ですが、物理研究のテーマは広く、深いなぁと感じました。
個人的に最注目は、ユニバーサル熱ホール効果論文です！
［要約］
［概要］
１，Topological Landau Theory
Canon Sun, and Joseph Maciejko
［モチベーション］
・Landau理論は、相転移を記述する基礎理論であり、対称性の破れを区別する秩序変数のべき乗で自由エネルギーが記述できることを主張する。
・ランダウ理論は多くの臨界現象を説明し、秩序変数の空間変調を考慮した拡張理論であるGinzburg-Landau理論を含め、強磁性、反強磁性、BEC、超流動、そして超伝導を記述することができる
・Landau理論では、秩序変数の対称性が重要な役割をもつ。一般に既約表現の異なる秩序変数は異なる相転移温度をもつため、臨界温度付近では最も転移温度が高くなる1つの秩序変数に着目すればよい
・では、同じ既約表現に属する複数の秩序が存在する場合はどうなるのか？
・この研究では、競合するが同じ既約表現の下で変換する2つの秩序変数をもつLandau理論を研究する
［結果サマリ］
・この状態では、自由エネルギーの2次項(秩序変数φ1のφ2の混成項)の係数Aは、基底関数の混成が対称性から禁止されなくなるため、２ｘ２のエルミート行列A(λ)となる。
・熱力学的安定状態を考える時、このランダウ理論の各パラメータは
λ：結晶運動量
A：Blochハミルトニアン
φ：Bloch状態
相図の臨界面：エネルギーバンド
2秩序変数の一致する点：バンド縮退点(Dirac/Weyl点)
というトポロジカルバンド理論との対応関係を示すことをこの論文は主張する。
それゆえ、このLandau理論の拡張を、トポロジカルLandau理論と呼称する。
・この理論を具体化するため、同じ規約表現をもつ異なる秩序変数をもつ超伝導体とそのジョセフソン接合をこの論文では検討する。
［感想］
秩序変数の熱力学的相図がそのままバンド構造になるという驚きの主張である。本理論から予想されるBerry位相が超伝導体のジョセフソン接合の実験から求められるという検証可能性にも言及している点がポイントが高い。
シンプルな疑問として、秩序変数の数を増やす拡張したらどうなるんだろ？
２，Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope
Sreehari Jayaram, Malik Lenger, Dong Zhao, Lucas Pupim, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ruoming Peng, Marc Scheffler, Rainer Stöhr, Mathias S. Scheurer, Jurgen Smet, Jörg Wrachtrup
［モチベーション］
・2次元超伝導体は新奇な量子現象実現の舞台である。
・タイプ２超伝導体に生じる超伝導渦は、２次元化することで強い閉じ込めにより、乱れや量子相関に敏感になる。その結果、Pearl超伝導渦と呼ばれる状態が生じる
・転移温度付近では超伝導渦はアブリコソフ格子状態から液体状態に融解する
・乱れた系では揺らぎが熱力学的/量子相転移を駆動し、BKT転移や金属絶縁体転移、その他非従来型的電子現象が生じる
・このナノスケールの超伝導現象を研究する代表的な手法がSTMである。しかし、STMには清浄表面が必要であり、観測される電子状態はその準備過程の影響をうける。
・またSTMだけでなく、磁気力顕微鏡やSQUID顕微鏡といった手法は、空間分解と時間分解を基本的には同時に観測できないという課題がり、創発磁性現象のダイナミクスを捉えることができない
・この課題を克服するため、ダイヤモンドのNV中心を利用した走査型量子顕微鏡が開発された。
・コレまでの研究では、量子顕微鏡を利用した超伝導体の研究は、高温超伝導体の静的応答に限られていた。
・本研究では、量子顕微鏡を少数層NbSe2の局所磁気応答の研究に利用した
［結果サマリ］
・バルク物質で観測される超伝導渦のアブリコソフ格子とは異なり、乱れた超伝導渦ガラス状態が観測された
・動的スピンデコヒーレンス測定を組み合わせることで、超伝導転移温度以下に生じる非従来型の温度依存性をもつ磁気揺らぎを観測した
・空間分解と時間分解を併せ持つ量子顕微鏡を利用することで、２次元超伝導体において熱揺らぎと不完全な遮蔽効果により生じる乱れた超伝導渦ガラス状態の面内磁気ダイナミクスを捉えることが可能となった
［感想］
空間分解能ではSTMに、磁気分解能ではSQUID顕微鏡に劣るとみえる量子顕微鏡(NV中心磁力計)だが、空間分解能・時間分解能・磁気分解能を併せ持つ手法として唯一無二の存在感を示している。
銅酸化物の擬ギャップ状態の測定に利用したらどうなるんだろう。LTEMで見えたという擬ギャップ相のスキルミオンの追試が可能だろうか？
３，Large Tunable Kinetic Inductance in a Twisted Graphene Superconductor
Rounak Jha, Martin Endres, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mitali Banerjee, Christian Schönenberger, Paritosh Karnatak
［モチベーション］
・捻りグラフェンは、マジックアングルに於いて、創発フラットバンドが生じ、強い電子間相関により、系の対称性が自発的に破れ、様々な電子相が実現する。
・出現する電子相のなかでも、特に超伝導相が興味深く、静電効果で様々な相図を制御できることから注目を集めている。
・量子状態の研究に、超伝導回路が注目されている。その点で、重要となるのが超伝導体のカイネティックインダクタンスである。
・カイネティックインダクタンスは、電荷キャリアの有効質量と超流動密度の比率に比例している。
・大きなカイネティックインダクタンスをもつNbNなどを利用した超伝導回路が強いキュービット-フォトン結合や、光子検出器に利用されている。
・しかし、こうした乱れた超伝導体におけるカイネティックインダクタンスは、約２nH/□ほどである。
・一方で、モアレフラットバンド系は電荷キャリアの大きな有効質量と、調整可能な低キャリア密度から、巨大なカイネティックインダクタンスを有することが期待されている。
［結果サマリ］
・この研究では、捻り三層グラフェン(TTG)の超伝導を、MoRe製SQUIDループと結合した系を調査した。
・TTGのカイネティックインダクタンスは150nH/□に達し、静電効果により調整可能なことを確認した。
・さらに、臨界電流密度の関数としてカイネティックインダクタンスを調べることで、電子/ホール的フラットバンドの超伝導コヒーレンス長として、200nmと190nmという上限を得た。
・グラフェンベースの超伝導体が200nA/μmの臨界電流密度をもつことから、将来の超伝導回路の構成要素となりうることを提案している。
［感想］
捻りグラフェンのフラットバンドと低キャリア密度をうまく利用した巨大なカイネティックインダクタンスの実現が賢い。
しかし、カイネティックインダクタンスが有効質量と超流動密度の比となると、有効質量だけを抽出できる測定ではないということか。個人の興味ではあるが、やっぱり超伝導状態で2パラメータを独立に測定することはなかなか難しそうである。
４，Auroralike Light from a Polymer 𝑝−𝑛 Junction Emitting Free Electrons
Dongze Wang and Jun Gao
［モチベーション］
※Arxiv版が見当たらないため、アブストラクトの要約
・発光性共役有機高分子は、独自の電気的、光学的特性から注目を集めている。
・この研究では、発光性ポリマーが、自由電子の放出源であり、新たな光源となりうることを示す。
［結果サマリ］
・赤色発光ポリマーのp-n接合に逆バイアス電圧を印加することで緑色閃光を放出させることができる。
・p-n接合が平面構造であることを考慮すると、緑色閃光は接合領域を超えて、自由空間に放出されていることになる。
・さらに緑色閃光は永久磁石で変形させることが可能であり、あたかもオーロラのように振る舞う
・緑色閃光の起原はn接合部に生じる電気的樹状構造の形成過程で生じる未知の有機蒸気を、電解放出された電子が励起することで生じていると推測している
［感想］
・有機物の半導体特性で未知の現象が生じるのが面白い。有機蒸気に関連する現象という、無機物質では生じないタイプの現象で意外感がある。固体中の創発現象でアナロジーはありうるか？チョットムズいか。
５，Control of Andreev Reflection via a Single-Molecule Orbital
Lorenz Meyer, Jose L. Lado, Nicolas Néel, Jörg Kröger
［モチベーション］
・常伝導体と超伝導体電極の間の伝導は、電子エネルギーが超伝導ギャップのエネルギー2Δの間にある時、アンドレーエフ反射により可能になる。
・アンドレーエフ反射が起きる時、入射した電子に対して、常伝導体内には反射したホールが生成され、超伝導体内にはクーパー対が生じる。
・アンドレーエフ反射は、超伝導体内のスピン偏極電流の検出にも利用することができる。
・近年、強磁性体-超伝導体界面におけるアンドレーエフ反射が注目を集めている。スピン三重項超伝導やトポロジカルに保護されたマヨラナ束縛状態の観点からである。
・常伝導体と超伝導体の接合部の伝導の研究は、量子ドットやポイント接合によって研究することが多い。
・STMを用いた接合部の研究は、接合状態の柔軟な調整機能にも関わらず、その報告例が少ない。
・STMを用いたアンドレーエフ反射の報告は、多結晶PbやV3Si、C60/Nbなどに限られていた。
・超伝導探針と超伝導サンプルを使って、アンドレーエフ反射により、C60/Pb(111)の電荷輸送チャネル、Al(100)上の単原子接合、非対称Nb-Nb接合におけるSubharmonicギャップ構造の探索、Yu-Shiba-Rusinov状態とジョセフソン電流/アンドレーエフ反射の研究が行われてきた。
・本研究では、STMにより常伝導-超伝導接合における単一のフタロシアニン(2H-Pc)とpyrrolic-H-abstracted derivativeフタロシアニン(Pc)の振る舞いを微分コンダクタンスdI/dVにより比較した。
［結果サマリ］
・2H-Pcでは、接合コンダクタンスの増加に応じてアンドレーエフ反射が発達するのに対して、Pcではアンドレーエフ反射が実質的に存在しない。
・2H-Pcでは、接合コンダクタンスのさらなる増加により再びアンドレーエフ反射の現象が始まり、これはBlonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) の描像の予想と矛盾する。
・2H-PcとPcの違いは近藤効果を考慮することが必要であり、広範囲STSとグリーン関数シミュレーションにより合理化される。本系では、アンドレーエフ反射にとって、分子軌道とフェルミエネルギーが重要になっている。
［感想］
・単一分子接合におけるアンドレーエフ反射をSTMで研究するというテクさの極みのような研究。有機分子は似たような構造でも少し組成式が違うだけで全然違う物性を示すのが面白い。
６，Pressure-Driven Moiré Potential Enhancement and Tertiary Gap Opening in Graphene/h-BN Heterostructure
Yupeng Wang, Jiaqi An, Chunhui Ye, Xiangqi Wang, Di Mai, Hongze Zhao, Yang Zhang, Chiyu Peng, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xiaoyu Sun, Rucheng Dai, Zhongping Wang, Wei Qin, Zhenhua Qiao, Zengming Zhang
［モチベーション］
・ファンデルワールス物質における捻り、または格子不整合により生じるモアレ超格子は、周期ポテンシャルに変調を与えることで、量子現象の発現につながる
・モアレ超格子に生じるウルトラフラットバンドは超伝導や強相関絶縁体状態、整数及び分数量子異常ホール効果の発現を可能とする
・興味深いモアレ周期性の影響は、限られた捻り角度で生じることが多く、製造時の乱れの影響により、デバイス間での比較を難しくする課題がある
・静水圧は、モアレ周期性を買えることなく層間結合の強さを変調させることでバンド構造を変化させることが可能である。そのため、デバイス間の差異を避けて、単一デバイス内での連続的な電子状態の変化を捉えることが可能となる
・しかし、一般的なピストンセルによる圧力印加では、３GPa以下でしか量子輸送測定が行えない課題がある。これはキャップ層であるh-BNの構造相転移が生じる臨界圧力である9GPaよりも圧倒的に小さい圧力となっている
・本研究では、h-BNキャップモアレデバイスとダイアモンドアンビルセル(DAC)を組み合わせることで、この限界を突破する
［結果サマリ］
・グラフェン/h-BNで実証実験を行い、顕著なモアレポテンシャルの増強と、常圧下では存在しない第3のバンドギャップの出現を確認した。
・このコンセプトの実現のために2つの技術開発を行った。1つは「Transfer after fabrication」法であり、DACにグラフェン/h-BNデバイスを統合する方法である。2つ目が「Transferred electrode」法であり、特定のデバイス箇所に事前に形成した金電極を蒸着する方法である。
［感想］
モアレ物質の静水圧測定における圧力パラメータ範囲を拡張し、さらなる未知の創発現象の発見につながるすごい技術開発である。
これはこれですごいんだが、元々の課題であるデバイス間のばらつきの解消を直接解決しているわけではないのは気になった。モアレ角度を固定して圧力で層間結合パラメータを変えているのであるから、元々見たかったモアレ角度による電子状態変調とは違っているのでは？等価なのかもしれないが、それは本当に等価かは実験で検証必要では？とか思ってしまいました。
７，Discovery of Universal Phonon Thermal Hall Effect in Crystals
X. B. Jin, X. Zhang, W. B. Wan, H. R. Wang, Y. H. Jiao, S. Y. Li
［モチベーション］
・ホール効果は、凝縮物性物理における基礎的な現象であり、量子物質のエキゾチックな物性を調べる際に重要となる。
・金属では磁場下での電流印加により横電圧が生じるが、電荷キャリアのない絶縁体では熱ホール効果が重要となる。
・熱ホール効果は磁場下で縦方向の温度勾配を印加した際に、横方向の温度勾配が生じる現象である。いくつかの絶縁体では、非ゼロの熱ホール伝導度が報告されていたが、数十年にわたりその起源は未解決であった。
・これまで、絶縁体の熱ホール効果の起源として3つのメカニズムが提案されてきた。すなわち、マグノン説、マヨラナフェルミオンを含むエキゾチックな磁気励起説、そしてフォノン説である。
・強磁性絶縁体ではマグノンが、Tb2Ti2O7やα-RuCl3ではエキゾチックスピン励起が、そして常磁性絶縁体、マルチフェロイック物質、銅酸化物、反強磁性絶縁体、カゴメ物質、金属スピンアイス、そしてファンデルワールス強磁性体といったますます多くの物質ではフォノン起源が提案されている。
・しかし、フォノンが熱ホール効果を生み出すメカニズムについては未解決である。常磁性絶縁体Tb3Ga5O12では磁性イオンのSkew散乱が重要視されている。一方で、熱ホール効果は非磁性絶縁体であるSrTiO3や黒リンでも報告されている。
・フォノンによる熱ホール効果への影響を更に調べるには、更に多くの非磁性絶縁体の測定が重要となる。
・本研究では、SrTiO3、SiO2、MgO、MgAl2O4、および半導体であるSiとGeの熱ホール効果を測定した。
［結果サマリ］
・非磁性体であるSrTiO3、SiO2で巨大な従来型及び平面型熱ホール効果が測定された。これは従来型熱ホール効果が磁気状態に依存していないことを示唆している。
・さらに、大きな熱ホール効果が平凡な絶縁体であるMgO、MgAl2O4、そして基本的な半導体であるSiとGeでも観測された。
・さらにその熱ホール効果の大きさが、|𝜅_𝑥𝑦| ∝ 𝜅_𝑥𝑥^2という熱伝導度に対する普遍的なスケーリング則に従うことを発見した。
・SrTiO3、SiO2の熱ホール効果は、反強誘電歪みドメインやカイラルフォノンなどの特有の現象として解釈が可能であるが、平凡な絶縁体/半導体で熱ホール効果が観測されたことは、熱ホール効果が原子振動と磁場の直接結合に由来する普遍的な現象であることを示唆している。
・マヨラナ励起などのエキゾチックなメカニズムの前に、巨大なフォノン由来の熱ホール効果の影響を考慮した上での再考が、既存の熱ホール効果に対して必要となることを意味している。
［感想］
2025年最大の問題作とも言えるユニバーサル熱ホール効果論文。良い結晶であれば、何を測っても熱ホール効果が見えるってなんやねんという、ちゃぶ台ひっくり返し系のおもしろ論文である。このグループだけが熱ホール効果が見えているというなら、実験系の問題とも考えられるが、Kamran Behnia研が独立に追試しており、同様の結論を得ていることから、普遍的な結果である可能性は高い。着目物質の測定結果がどれほど本質的なのか参照物質での測定が重要であるという、基本的な考え方を再認識させてくれた研究である。
８，Identifying Electronic Doorway States in Secondary Electron Emission from Layered Materials
A. Niggas, M. Hao, P. Richter, F. Simperl, F. Blödorn, M. Cap, J. Kero, D. Hofmann, A. Bellissimo, J. Burgdörfer, T. Seyller, R. A. Wilhelm, F. Libisch, W. S. M. Werner
［モチベーション］
・低エネルギー電子放出(LEE)は、現代の走査型電子顕微鏡やヘリウムイオン顕微鏡といった高分解顕微測定とナノテクノロジーにとって重要である。
・その重要性にもかかわらず、固体表面から生じるLEEのエネルギープロファイルを決定するメカニズムの理解が欠けている
・LEEの文献が集中する物質の１つは、グラファイトといった炭素ベースの物質である。グラファイトが低い二次電子放出率をもつためである。
・グラファイトのLEEスペクトルは、真空準位から3.3eV上に存在する非分散的特徴が際立つ点である。このピークは、Xピークと呼ばれ、プラズモンが単一粒子-ホール励起に崩壊する際に生じると考えられている。
・本研究では、実験と理論の両面から、LEEスペクトルに見られるそのようなピークは、状態密度の構造の反映なだけではなく、真空中の連続状態への入口状態としてのFeshbach共鳴の顕著な特徴として機能することを示す。
［結果サマリ］
・(e,2e)同時分光により、単層グラフェン、二層グラフェン、HOPG(高配向熱分解グラファイト)に於いて、非弾性二次電子カスケードのバックグラウンドに埋もれたLEEスペクトル構造を分離した。
・結果として、通常のrEELSではHOPGに3.3eVのXピークしか見えないのに対して、二層グラフェンにも7.7eVに明瞭なピークが存在すること、単層グラフェンにはほぼ構造が存在しないことを明らかにした。
・一方で、DFT計算により、3物質の状態密度が殆ど変わらないことを確認した。すなわち、状態密度構造とバンド分散だけではLEEスペクトルの変調を説明できないことを示す。
・そこで、原子・分子の共鳴計算（例：二重励起ヘリウムなど）に利用される安定化法を援用することで、準束縛状態と真空連続状態の結合強度を定量化した。結合強度は、HOPGの3.3eVでの結合が他材料より一桁大きく、実験でのピーク有無と対応する。
・すなわち、ある層数閾値(5層と推定)を超えて開く入口状態としてのFeshbach共鳴と真空状態の結合が、HOPGでのみ観測されるXピークの理由となることを示唆している。層状物質特有の層数依存的なドアウェイ状態の集合を考慮することが、LEE スペクトルの変調の説明には不可欠である。
・本研究によりLEEスペクトルがもつ表面と電子状態の情報を抽出できるようになることが期待される。
［感想］
・SEMとかにも利用されてる低エネルギー電子放出にも不明なメカニズムが存在することが驚き。未解明の問題は身の回りに転がってるもんですね。また、原子物理分野の計算手法を固体の現象に持ち込んでいる点も斬新である。分野をまたいだ研究、こういうのはAIが得意そうだから、属人的な研究からより普遍的な手法へと移り変わっていくのかなと感じた。
９，Quantification of Electronic Asymmetry: Chirality and Axiality in Solids
Tatsuya Miki, Hiroaki Ikeda, Michi-To Suzuki, Shintaro Hoshino
［モチベーション］
・カイラリ/アキシャル構造を持つ物質は、系の対称性を反映した様々な応答を示す可能性がある。
・顕著な例としては、交差相関、カイラル磁性、カイラリティ誘起スピン選択性、円二色性が挙げられる。
・1964年、Lipkinは、真空中の電磁場の保存量として以下物理量を定義した。
Z = E ·(∇×E)+B ·(∇×B)
・提案当時、この物理量の解釈は不明確だったが、その後の研究により、この物理量、Lipkin's zilchは光吸収における円偏光の非対称性因子に比例することが明らかとなり、光学的カイラリティとして知られている。
・化学分野において、分子カイラリティを理解、制御することは重要であるが、物質中のカイラリティを定義することは従来困難であった。例えば原子位置により分子カイラリティを定義しようとする過去の取り組みは、ユニークな定義とならない問題が存在した。
・本研究では、相対論的量子力学におけるディラック場中の電子のカイラリティに着目した。従来、凝縮物性では電子の電荷とスピンが注目されているが、電子カイラリティも重要な自由度である。
・電子カイラリティに着目することで、非対称性物質の定量的表現を得て、非磁性体に於いて見過ごされていた新しい洞察を得ることが期待される。
［結果サマリ］
・第一原理計算により、電子カイラリティの分布が非対称性物質のカイラリティ自由度を定量化するうえで重要な因子となることを明らかにした。
・γ⁵ で表される電子カイラリティ密度 τ^Z(r) = Ψ†γ⁵Ψ の空間分布は、電荷密度分布が極性結晶を特徴付けるのと同様の方法で、電子カイラリティと電子アキシャリティを定量化するために使用されることを明らかにした。ここで、電子アキシャリティはX = ∫dr⟨r τ^Z(r)⟩、つまり「カイラリティ密度の分極」として定義される軸性ベクトルである。
・実験的には、電子カイラリティは右巻き・左巻き円偏光に対する光電効果の差として観測できるはずであり、CoSiの計算結果は、Brinkmanらの実験結果と整合的である。
・さらにディラック場によって定義される極性ベクトルを用いることで、スピン由来の電気分極が極性結晶の極性を定量化できるを明らかにした。
・また、テルルの計算から、右手系と左手系で全カイラリティCが符号反転すること、さらに化学ポテンシャルに対して激しく振動し符号反転することを明らかにした。
［感想］
電子自由度としてカイラリティ自由度を定義できるという発想が面白い。新しい自由度が定義できるとその応答が色々考えられて夢があった良いなと思います。
テルルのカイラリティが化学ポテンシャル次第で大きく変わってしまうというのは、同一系でカイラリティを制御できる反面、別サンプルを測定しているグループ間の非線形伝導とかの実験結果が整合しなかったときの解釈に注意が必要になるなぁと思いましたまる。
10，Higher Vortexability: Zero-Field Realization of Higher Landau Levels
Manato Fujimoto, Daniel E. Parker, Junkai Dong, Eslam Khalaf, Ashvin Vishwanath, Patrick Ledwith
［モチベーション］
・分数チャーン絶縁体は、分数量子ホール物理におけるチャーンバンドに関連した分数化電荷とエニオン統計が実現する舞台である。
・分数チャーン絶縁体は、磁場を必要とせず高温で実現する可能性がある。
・分数チャーン絶縁体は、高磁場中のHarper-Hofstadter bandや、捻り二層グラフェンにおける部分的に満たされたチャーンバンドにおいて僅かな磁場印加により生じることが確認されている。
・磁場によりバンド幅が減少するだけでなく、チャーンバンドの波動関数が改善され、理想的な、すなわちVortexableな変調最低ランダウ準位に変化することが議論されている。
・ごく最近、分数量子異常ホール状態と呼ばれる、ゼロ磁場下のアーベル分数チャーン絶縁体が捻りMoTe2及び5層グラフェンにおいて実現していることが報告されている。
・これまで、非アーベルトポロジカル秩序の実験的実現は、第一ランダウ準位の領域にとどまっている。本研究では、最低次のランダウ準位を第ゼロランダウ準位と呼称する。
・非アーベル粒子統計は、GaAsの半充填第一ランダウ準位やBernal グラフェン、GaAsのν＝2+2/5プラトーにおいて実現の可能性が提案されている。
・理論的な重点的な研究を超えて、非アーベルトポロジカル秩序は誤り耐性量子コンピュータの実現にとっても有用な概念である。では、第一ランダウ準位の類似物としての、ゼロ磁場中チャーンバンドは存在するのか？それが本研究の問である。
・本研究では、この問いに対して、第一ランダウ準位に似たバンドという概念の正確な定義により回答する。
［結果サマリ］
・本研究の定義ではVortexabilityの概念をマルチバンド系に拡張する。
・チャーンバンドは、第ゼロランダウ準位構造を持つパートナーバンドを見つけることができ、その2つのバンドを合わせたものがVortexableである場合に、第一LL構造を持つ。すなわち、最低次LLケースで使用されるFubini-Study計量に基づく先行研究のような単一バンド定義では、第一LL構造を捉えることはできないと本研究は主張する。
・実際、磁場中 Bernal グラフェンでは層間結合 γ₁ を変えると 量子幾何の指標 tr g/Ω (g = Fubini-Study 計量、Ω = Berry 曲率)が 1 から 3 まで連続的に変化するにもかかわらず波動関数の解析構造は変わらず、単一バンドの量子幾何は第一 LL 構造を指定できないためである。
・周期歪みを加えた Bernal 二層グラフェンを仮定した数値計算を行い、実際に第一 vortexable バンドが現れることを確認した
［感想］
・チャーン絶縁体において、非アーベルトポロジカル秩序を実現するための理論的な定義を精密化した研究の印象。実験で検証できるであろうという仮定のもと計算を行っている点も好印象だが、多体計算を行っているわけではないのは気になるか。まあ、難しそうだから将来の期待かな。とはいえ、非アーベル粒子統計を利用した量子計算実現には、まだ距離がありそうかなという感想。実験のほうがいかんせん大変そうである。
11，Possible Spin-Triplet Excitonic Insulator in the Ultraquantum Limit of HfTe5
Jinyu Liu, Varsha Subramanyan, Robert Welser, Timothy McSorley, Triet Ho, David Graf, Michael T. Pettes, Avadh Saxena, Laurel E. Winter, Shi-Zeng Lin, Luis A. Jauregui
［モチベーション］
・強磁場中の2次元または3次元系の電子はランダウ準位と呼ばれる量子化したエネルギー準位を示す。
・更に磁場を増やすと、系は量子極限と呼ばれる状態に達し、電子は主に最低次のランダウ準位、特に相対論的フェルミオンの場合は第ゼロランダウ準位を占有する
・2次元系では電子間相関とランダウ準位のトポロジカル性の相互作用により、ウィグナー結晶や電荷密度波、エキシトニック絶縁体、分数量子ホール効果といった強相関電子相を示す
・3次元系では磁場と垂直な方向の運動が閉じ込められ、磁場方向にのみ分散が残るため、有効的に1次元系として振る舞う
・この閉じ込めは磁場垂直方向の運動エネルギーが凍結されることと相まって、二次元系と同様の電子相関駆動の不安定性を生み出すことが理論的に提案されている
・しかし、通常の金属でウルトラ量子極限を実現するには高磁場が必要なため、3次元系において2次元系のような電子相関由来の電子相を実現することは困難であり、グラファイトやビスマスといった一部の物質で観測されるに限られていた
・最近のトポロジカル物質の発見により、3次元系における量子極限を研究する新しい舞台が提供された。その中で特に注目を集めているのが、ZrTe5及びHfTe5である
・これら物質の小さなフェルミ面のおかげで、ウルトラ量子極限の研究が捗ることになる。例えば、量子極限を超えて磁場を強くすると、大きなランデのg因子によりゼーマンエネルギーがバンドギャップとフェルミエネルギーを上回り、伝導帯の 0⁻(スピン上向き電子) と価電子帯の 0⁺(スピン下向きホール) という互いに反対のスピンを持つ第ゼロランダウバンドが近づいて交差する。特に弱いトポロジカル絶縁体相でこの振る舞いが顕著となり、結果として1次元ワイルモードが生じ、幾何学的な閉じ込めなしに有効的に1次元なバンド構造が生じる
・さらに、1次元系の電子液体は様々な強相関電子相を示すことが知られている。化学ポテンシャルが1次元ワイルノードに近づき状態密度が増大することで電子相関が強まり、例としてエキシトニック絶縁体状態が生じることが予言されている
・エキシトニック絶縁体はKohnらにより50年以上も前に予言され、小ギャップ半導体においてエキシトン束縛エネルギーがバンドギャップを超える際に生じるとされている。この状態は、電子とホールがコヒーレントな対形成を行った結果、電荷中性なBCS的凝縮体を形成することで生じるものである。
・特にスピン3重項エキシトニック絶縁体はスピン超流動性など興味深い磁気現象が生じることが期待されている。しかし、そのような状態を生み出すことは困難とされている。
・HfTe5の電子とホールの第ゼロランダウバンドは直接ギャップ半導体に類似しており、バンドギャップを磁場で制御することで、スピン3重項エキシトニック絶縁体を実現することが期待される。
・本研究では低キャリア密度をもつHfTe5のウルトラ量子極限の量子輸送現象を調べた。
［結果サマリ］
・一次元ワイル相へのリフシッツ転移が生じることを層間の負の縦磁気抵抗の振る舞いから観測した
・磁場誘起金属絶縁体相転移が観測され、250μeVのギャップが開くことを層内と層間抵抗の測定から確認した
・臨界磁場B_CNPを超えるとホール伝導率が消失し電荷中性状態が実現していることを観測した。この時、B_CNPはBCS的な温度依存性を示すことを確認した。
・理論モデルによる解析から、この絶縁体相は電子ホール結合により、1次元ワイルノードにスピン3重項エキシトニックギャップが開いたことに起因すること示唆され、ゼロホール伝導度と非線形伝導の測定と整合的である
・理論的には、交差する 0⁻(スピン上向き電子)と 0⁺(スピン下向きホール)は反対のスピンを持つため、秩序変数 Δ = ⟨c†h⟩ はスピン 1 を担い、かつ重心運動量ゼロで並進対称性を破らない結果、スピン3重項状態が実現していることが示唆される。
・CDWによる説明も考えられるが、CDWならσ_xyが連続変化するはずだが実験では広い磁場範囲でゼロであり、また直接ギャップは CDW形成に不利であるため、可能性として排除されると考えられる。
［感想］
・スピン3重項超伝導ですらおもしろいが、スピン3重項エキシトニック絶縁体が存在することにまず驚きである。確かに電子-ホールのペアリングでエキシトン凝縮が生じることをBCSの類推的に考えるとスピン3重項状態が実現するのはあり得た話か。
・70T級の高磁場中の量子輸送現象の測定からそこまで主張できるのは、深い知識と鋭い洞察、そして想像力の賜物だなと思うと同時に、思い切りのある判断だなぁと思いました。
12，Emergent Self-Propulsion of Skyrmionic Matter in Synthetic Antiferromagnets
Clécio C. de Souza Silva, Matheus V. Correia, and J. C. Piña Velásquez
［モチベーション］
・エネルギー散逸が大きくノイズの大きい環境で泳ぐ困難さが、微生物の独創的でありながらシンプルな移動戦略を促進してきた。例えば、バクテリアや微細藻類における非相反形状変化や、直進とランダムな方向転換を繰り返すラン&タンブル運動、直進と逆走を繰り返すラン&リバース運動といった移動戦略である。
・似たような原理を利用し、スピントロニクス版の自己推進準粒子を実現することができるだろうか？という疑問が浮かぶ。つまり、局在スピン励起を磁性対中で自発的に泳がせることはできるだろうか？
・そのようなアクティブスピントロニック物質はコレまでにないスピントロニックデバイス機能を実現することを可能にすると期待できる。
・本研究では、磁性スキルミオンを用いてその実現を目指した。スキルミオンはカイラル磁性体などで生じるが、従来は外場により駆動する受動的粒子として扱われてきた。
［結果サマリ］
・合成反強磁性体における束縛スキルミオン対がアクティブスピン構造として自発的に駆動することを明らかにした。
・合成反強磁性体は２つのカイラル強磁性体が反強磁性的に結合したものであり、反対のトポロジカル電荷をもつスキルミオンをそれぞれホストしている。ここで、この2層のカイラル強磁性体が反対のカイラリティを持つようにすることで、トポロジカル電荷は反対のまま保ちつつ、カイラリティは鏡像のように反転する状況を実現した。
この結果、ドメインウォールの磁化が局所的に平行となり、非同軸結合が優勢となり回転対称性が破れるスキルミオン間距離（ボンド長）という新たな自由度が生じる状況を実現した
・ボンドに垂直な方向に交流電場・磁場を印加することでスキルミオン対はボンドに垂直な方向へ一定速度でドリフト運動するが、運動の向きは外場ではなく対の内部力学(非相反的サイクル)により決定され、自己推進系の定義を満たす運動が生じる。さらに速度は共鳴周波数でピークを持ち、体長換算で毎秒1億倍という相対速度に達する。
・自己推進にはスキルミオン対がトポロジカルに非自明であること(Q≠0)とサイクルの非相反性が本質であることを、一般化Thiele方程式による解析で示した
・有限温度下の確率的LLGシミュレーションでは、励起が弱いと拡散的運動、強いと持続的な直進運動に加えて時折のラン&リバース運動が自発的に現れ、運動性細菌に似た探索戦略を示すことを確認した
［感想］
バクテリアとかの自己推進駆動をスキルミオンで実現しようとする発想、何食ったら思いつくんだという趣で面白い。磁気スキルミオンだけでなくて液晶系とかのスキルミオンとかでも似たようなコトできると面白いかもとおもったがそこは先行研究で触れられていて残念。あとは、他のトポロジカル磁気励起、メロンとかスキルミオニウムとかにも拡張してみたくなるのが少年心である。
13，Ferroelectric Switchable Altermagnetism
Mingqiang Gu, Yuntian Liu, Haiyuan Zhu, Kunihiro Yananose, Xiaobing Chen, Yongkang Hu, Alessandro Stroppa, Qihang Liu
［モチベーション］
・マルチフェロイック物質は、強誘電性と磁性といった、1つ以上の強的秩序が同時に実現する物質の総称である。特に磁気電気結合を示す物質は、電場により磁性を制御、もしくはその逆を実現できることから、新奇なメモリやセンサ、スピントロニクスデバイスへの応用が期待されている。
・マルチフェロイック物質には大きく2種類が存在する。タイプ１マルチフェロイックは、磁性と強誘電性が異なるメカニズムにより生じている物質で、磁気電気結合は弱い。タイプ２マルチフェロイックは強誘電性と磁性がより強く結合した物質である。
・例として、マルチフェロイック反強磁性体Ca3Mn2O7では、スピン軌道相互作用(ジャロシンスキー・守谷相互作用)がスピンを共線配置からわずかに傾けることで生じる正味の磁化と、強誘電分極との間にマルチフェロイック結合が生じている。しかし、この弱強磁性磁化は極めて小さく(理論で0.045 μB/Mn、実験で0.0025 μB/Mn)、磁気電気結合の強さ、ひいてはマルチフェロイック物質としての応用を制限している。
・最近、交代磁性と呼ばれる共線反強磁性体の１種の物質が、注目を集めている。交代磁性体は、ある種の空間対称性の破れにより生じた逆格子空間における交代スピン分極により特徴づけられるが、全体としての磁化はゼロを示す物質である。
・交代磁性体の秩序変数 S は、ブリルアンゾーンにおける２つのスピンチャネル間のバンドエネルギー分裂により表現される。スピン分裂した交代磁性体は、スピンフィルタ磁気トンネルジャンクションといった、新奇なスピントロニックデバイスにつながる可能性がある。
・本研究では、強誘電スイッチ交代磁性体と呼ぶ、新たな物質を提案する。この物質では交代磁性と強誘電性が共存し、強誘電分極により分裂したバンドのスピン特性を反転させることが可能である。すなわち、強誘電分極Pと磁化Mを結合させるのではなく、スピン軌道相互作用無しでPとスピン分裂Sを結合させるのである。
［結果サマリ］
・MAGNDATAデータベースから最先端のスピン群分析により22の強誘電交代磁性体を抽出し、そのうち２物質が強誘電分極により交代磁性スピン分裂を制御できることを明らかにした。そのうちの１つである金属有機構造体である[C(NH2)3]Cr(HCOO)3、略称Cr-MOFをこの論文では注目している。
・Cr-MOFはハイブリッド不整合強誘電体であり、分極は個々には反転対称性を保つ2つのゾーン境界歪みモード(X₁⁻とX₄⁺)の三線形結合で誘起される。どちらを反転しても分極は反転するが、実現する状態が異なる。
・第一原理計算により、X₁⁻経路(障壁 約4 eV/格子)ではスピン分裂の符号が保たれる一方、X₄⁺経路(障壁 約0.1 eV)では分極とスピン分裂が同時に反転することを示した。X₄⁺はCr八面体のQ₂ヤーン・テラー歪みに対応しており、交代磁性が軌道秩序と絡み合う具体例にもなっている。
・価電子帯頂上のスピン分裂は最大20 meVで、Cr-MOFによるトンネル接合ではGMR比 約53%が見込まれる。
・この遷移ではNéelベクトルが変化せず通常の磁気測定では検出が難しいため、非ゼロBerry曲率双極子に由来する線偏光光ガルバニックスピン流の符号反転を検出手段として提案している。
［まとめ］
・今流行りの交代磁性と伝統の強誘電性を結合した強誘電スイッチ交代磁性という新しいマルチフェロイック概念を生み出している。やっぱり新しいアイデアは組み合わせからうみだされるんだなという感覚。交代磁性を提案したSmejkalがほぼ同時期に類似の概念に到達しているのもおもしろい。みんな考えることは近いんだなぁ。
一方で、2001 個のMAGNDATAデータベースから条件を満たすものが 2 個しか出てこなかったのはこの概念の実現性の難しさを物語っている。最後の方で、「ハイブリッド不整合強誘電体は化学組成や歪み工学で人工設計できるので強誘電交代磁性体の設計空間は広い」とは言ってるが、理論はいいとして実用できる物質、デバイスを実現するのが難易度が高いのがこの分野なので、今後に期待である。
14，Antiferroelectric Altermagnets: Antiferroelectricity Alters Magnets
Xunkai Duan, Jiayong Zhang, Ziye Zhu, Yuntian Liu, Zhenyu Zhang, Igor Žutić, Tong Zhou
［モチベーション］
・磁場ではなく、電場により磁性が制御できれば、より高速でエネルギー消費の少ない磁性制御が実現できることが期待される。マルチフェロイック物質はそのような現象が生じる候補物質である。
・一般的な強磁性体は金属であり、強誘電体は絶縁体であることが多く、その共存は一般には難しい。典型的な絶縁性の強誘電状態と反強磁性状態の共存であれば実現可能性が高く、高い転移温度、ゼロ浮遊磁場、超高速応答といったスピントロニクスに有用な性質を併せ持つと期待されている。しかし、従来型の反強磁性体ではスピン分極が存在せず、マルチフェロイック物質の有用性を制約している
・反強磁性体の非相対論スピン分裂の理解に基づき、ゼロネット磁化と運動量依存したスピン分裂を示す交代磁性体が発見され、上記課題を解決する物質として期待されている。
・交代磁性体は、スピン偏極電流や巨大磁気抵抗、非従来超伝導や異常ホール効果といった興味深い現象を示すことが報告されている。
・交代磁性体は反強磁性体と強磁性体の多くの優位性を統合することができているが、強誘電性と交代磁性をマルチフェロイック系の中で統合することはできていない
・本研究では、交代磁性を制御するための多くの困難が、(反)強誘電性を活かした物質設計原理を利用することで解決可能であることを提唱する
［結果サマリ］
・反強誘電交代磁性体では、反対向きのスピン格子が反強誘電的環境により生じる回転対称性Rにより結びついており、スピン偏極Ps≠０の交代磁性状態が生じる。これは並進 t は運動量 k を変えないため全ブリルアンゾーンでバンドがスピン縮退する一方、回転を含む R は k を別の点へ移すため、Rk = k となる特定の経路以外ではスピンが分裂する。この違いが交代磁性の有無を決めているためである。
・反強誘電交代磁性状態は電場εにより、従来型の強誘電反強磁性体となりPs=0となる。この転移によりPsの電場制御が可能となる。
・本提案のデザイン原理は、有効タイトバインディング模型により確認された。さらに第一原理計算によりよく調べられているマルチフェロイック物質の中に反強誘電交代磁性体を特定した。１つは二次元ファンデルワールス物質であるCuMoP2S(Se)6 及びCuWP2S(Se)6であり、反強誘電交代磁性が単層からバルクまで維持される。もう一つが、３次元マルチフェロイック遷移金属酸化物ペロブスカイトであるBiCrO3である。
・実際計算を行うと、単層 CuWP₂S₆ でスピン分裂は最大 120 meV(13のCr-MOFの20meVと比較するとクソデカ)、反強誘電体-強誘電体転移のエネルギー障壁は 0.33 eV/f.u. であり、類似物質では数十 kV/cm の弱い電場で駆動できていることから、実験的な実現性も期待できる。
［感想］
一般には地味な反強誘電体が交代磁性の制御に有利であるという観点は興味深い。交代磁性を強誘電性に拡張して、交代強誘電性を考えれば、交代強誘電性と交代磁性からなるマルチフェロイック物質も考えられるだろうか。色んなアイデアが浮かんでくるなぁ
しかし、「交代磁性と非相対論的スピン分裂の概念の用語と起源については数十年にわたって議論が続いていますが、私たちの発見はその議論に限定されない」とあり、わざわざそこと距離取るんだと笑ってしまった。
強誘電性と交代磁性という観点で、13番に関連した研究でありPRLの同じ号に掲載され、Physics誌に解説記事も出ている。世界の違う場所で、似たような問題意識をもって研究する人が出現する、たまによくある、研究業界の面白現象であるなぁ
15，Observation of Strong Nonreciprocal Thermal Emission
Zhenong Zhang, Alireza Kalantari Dehaghi, Pramit Ghosh, Linxiao Zhu
［モチベーション］
・熱放射に関するキルヒホッフの法則は、任意の物体において放熱と吸熱は、同じ波長・角度・偏光の場合、同じ値となる相反性を示すことを主張する
・相反性を破ることができれば、放熱と吸熱を分離して制御することが可能とし、太陽電池や熱光起電力、放射エネルギーの回収、高度な熱流束制御、通信といった分野における熱力学的限界でのエネルギー回収につなげることができる。
・キルヒホッフの熱放射法則は熱力学から要請されるわけではなく、ローレンツ相反性の帰結である。ローレンツ相反性を破ることで熱放射の非相反性を実現できることが指摘されている。
・非相反熱放射の理論は、磁気光学物質や磁性ワイル半金属においてよく研究されているが、実験的な探索は少なく、報告されている非相反性も小さな値となっている。例えば、InAsベースのエミッターが磁場中で示す非相反性は狭帯域で0.22程度、バンド幅3.5umで0.12程度が実現している。
・強い非相反性が、熱力学極限におけるエネルギー変換と非相反熱流束制御には必要であるが、実現できていない。これは高品質な薄膜構造を作成することが難しく、幅広いバンド幅と角度で非相反性を測定することが困難なためである。
・本研究では、メタマテリアルにおいて強い非相反熱放射を示すことを自家製の角度分解磁場熱放射分光装置により実験的に観測している
［結果サマリ］
・磁場中では誘電率テンソルが非対称となりローレンツ相反性が破れる。電子有効質量が小さくサイクロトロン振動数が大きくなるInGaAsを採用し、ドープ濃度を深さ方向に変えた5層構造とすることで、各層が異なる波長でεゼロ条件を満たし、Berremanモードがカスケードして13〜23 μmの広帯域をカバーする方針を採用した。
・実際に磁場中ですべての角度での放射率と吸収率を測定することは実験上困難であるため、合理的な仮定の元で分析を行った。吸収率の測定には、熱力学の要請 放射率e(θ,B)=吸収率α(−θ,B) と試料のC₂対称性 α(−θ,−B)=α(θ,B) を組み合わせて α(θ,B)=e(θ,−B) を導き、磁場を反転した放射率測定だけで非相反性 Δe=e(θ,B)−e(θ,−B) を決定した。
・金上に形成された勾配ドープされたεゼロ近傍のIn0.53Ga0.47As（InGaAs）メタマテリアル構造を実現し、5テスラの磁場中で同一波長および同一角度での放射率と吸収率の差を最大0.43まで達成した。またより幅広いバンドと角度でも大きな非相反性を示すことを確認した。
・これまでの先行研究と違い、本研究では異なる基板にエピタキシャル構造を転写できることを可能とし、非相反性の応用への道を開いた
［感想］
非相反超伝導流など、色々な物性の非相反性が注目を集めているが、熱放射の非相反性は独自性がありおもしろい。究極、電流の非相反性は「いや半導体デバイスがあるじゃん」ということで代替物質の研究の意味を問いたくなるが、熱の非相反性はそうではない印象がある。あと物質中の熱流が、電子やフォノンの散乱機構として注目されるが、熱放射に着目した観点がおもしろなと感じた。あと5テスラはチョットでかいな、もう少し頑張ってほしい。
あと、αとeの仮定のもと測定を簡略化しているが、その仮定が今のデバイスであっているか実際測定してないから、チョット不安になる。
16，Eliminating Surface Oxides of Superconducting Circuits with Noble Metal Encapsulation
Ray D. Chang, Nana Shumiya, Russell A. McLellan, Yifan Zhang, Matthew P. Bland, Faranak Bahrami, Junsik Mun, Chenyu Zhou, Kim Kisslinger, Guangming Cheng, Basil M. Smitham, Alexander C. Pakpour-Tabrizi, Nan Yao, Yimei Zhu, Mingzhao Liu, Robert J. Cava, Sarang Gopalakrishnan, Andrew A. Houck, Nathalie P. de Leon
［モチベーション］
・超伝導キュービットは多くの大規模量子プロセッサの基礎部品であり、量子エラー訂正や、量子多体系実験、量子シミュレーションを可能とする。
・最近の進歩にかかわらず、単一キュービットのコヒーレンスが大規模化への制約となっている
・単一キュービットのコヒーレンスは、誘電損失、特に表面や界面での損失により制約を受けている
・最近、タンタルベースの超伝導キュービットが記録的に長いコヒーレンス時間を保つことが発見され注目を集めている。タンタルベースキュービットの損失は、表面酸化とバルク基板に存在する二準位系により生じている
・表面酸化を抑制すれば、この損失を回避することが期待される。最近の研究から別の超伝導キュービット材料であるニオブにおいて、封止による表面酸化の抑制が有効であることが確認されており、タンタルでも効果が期待される。
・本研究では、タンタル超伝導共振器に金又は金パラジウムによる封止を行うことで表面酸化を抑制する効果を検証した
［結果サマリ］
・封止したタンタル薄膜をX線光電子分光、走査型透過電子顕微鏡、電子エネルギー損失分光、エネルギー分散X線分光により研究し、数ナノメートルの貴金属封止によりタンタルの酸化が完全に抑制されることを確認した
・貴金属封止は、十分に近接効果による超伝導化が生じない場合は、追加の損失起源となる可能性がある。そこで、マイクロ波測定により実効的な超伝導ギャップの封止層厚さ依存性を調査した。封止層が厚いほど超伝導ギャップは小さくなるが、酸化が完全に抑制される約3 nmの金封止では、ギャップはタンタル単体の80％以上を維持していた。また、Usadel方程式によるフィッティングから高い界面透過率が得られ、良好なオーミック接触が形成されていることが示された。共振器のQ値は、封止層3〜26 nmの範囲で高い値（約10⁷）に保たれた。
・ところが、表面酸化の完全な抑制にもかかわらず、表面二準位系由来の損失の減少は確認できなかった。
原因としては、今回の共振器デバイスはエッチングにより形成されており、エッチングで生じた側面が封止されず、側面自身が酸化したことが考えられる（電子顕微鏡でも側面の酸化が観測されている）。
電場シミュレーションによれば、金属–空気界面の電場エネルギーの90％以上が側面の酸化膜に集中しており、側面が損失の主因となりうることが示された。
損失が改善しなかったもう一つの原因として、王水エッチングの追加工程で側面が粗くなり、表面積の増加と電場の集中によって損失が増えた可能性が挙げられる。
結論として、側面までの完全な封止が重要であることが示唆される。
［感想］
し、渋い。。。PRLクラスのテーマなのか・・・？という気もしたが、最先端の量子コンピュータにつながる話題でさらにコヒーレンス時間という重要パラメータを改善する手法とそのメカニズムの徹底的な研究と考えれば妥当なのかな？あと、封止はうまくいったけど、想定通りには損失が改善しなかったことを正直に書いていて好感が持てた。
最近は超伝導量子コンピュータだけでなく、中性原子やイオントラップ方式、半導体方式などがどんどん主役の舞台に上がってきているが、いろいろな方式で量子コンピュータの技術開発が進むことで得られる知見もあると思うので、今後も注目ですねこの分野。
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