微小な半導体チャネルが超伝導電流に一方向への流れやすさをもたらす
東京大学とニューヨーク大学（NYU）の研究者らは、電気抵抗なしに流れる電流が、逆方向よりも一方向に流れやすい半導体デバイスを作製した。このデバイスは、長さわずか100ナノメートルのチャネルで電気的制御と磁気的効果を組み合わせ、超伝導ダイオード効率として最大20％を達成した。
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2026年11月5日にCommunications Materialsに掲載されたこの研究成果は、絶対零度に近い0.03ケルビンでの実験によるものだ。ゲート電極のないデバイスでは、最大3.00マイクロアンペアの超伝導電流が流れた。ゲートを備えたデバイスでは、負の電圧を印加すると、抵抗なしに流せる最大電流が低下した。
東京大学のチームには、博士課程の原弘貴氏、レ・ドゥック・アイン准教授、田中雅明教授が参加し、NYUの博士課程学生ルーカス・ベイカー氏、ジャバド・シャバニ教授らと共同で研究した。デバイスの構造は、アルミニウム、インジウムヒ素、鉄を含むアンチモン化ガリウムを組み合わせ、同じ半導体電流経路に超伝導と磁性を共存させている。
今回の成果は、超伝導電流を制御するための実験室レベルの基盤となる。東京大学の11月5日の発表では、消費エネルギーの少ない電子機器や将来の量子回路への応用可能性が挙げられている。現時点では、動作原理の解明と制御性の向上に取り組む段階だ。
研究者が作製したデバイス
このデバイスは、半導体チャネルを備えた横型ジョセフソン接合だ。ジョセフソン接合は、2つの超伝導電極を短い中間材料でつないだ構造を持つ。量子効果によって、中間材料自体が超伝導にならなくても、電圧を伴わずに電流がそこを通り抜ける。
このデバイスでは、半導体構造の上に2つのアルミニウム電極を配置し、その間にインジウムヒ素のチャネルを露出させている。チャネルは長さ約100ナノメートル、幅5マイクロメートルで、幅は長さの約50倍にあたる。
インジウムヒ素が電流の主な経路となる。その下には、磁気的な影響をもたらす鉄含有アンチモン化ガリウム（(Ga,Fe)Sb）がある。超伝導の影響を与えるのはアルミニウム電極だ。チャネルの上にあるゲート電極に電圧をかけることで、研究者はチャネルの電気的性質を変えられる。
トランジスタという説明は、このゲート制御を指している。より正確には、Communications Materials掲載論文は、Al/InAs/(Ga,Fe)Sb構造で作製した横型ジョセフソン接合について報告している。このデバイスは、半導体トランジスタでおなじみの電圧制御を超伝導接合に取り入れたものだ。
隣接する層が性質を共有する仕組み
アルミニウムは十分に冷却すると超伝導状態になる。この状態では電子が対を形成し、電気抵抗なしに電流を運ぶ。一方、磁性とは、スピンと呼ばれる電子の微小な磁気的性質がそろうことを指す。通常、超伝導と強磁性は互いに相反する傾向があり、両者を組み合わせるのは難しい。
研究者らは近接効果を利用して、インジウムヒ素に両方の影響を及ぼした。近接効果とは、ある材料と接触することで、隣接する材料中の電子の振る舞いが変わる現象だ。アルミニウムはチャネルに超伝導の性質を誘起し、その下の磁性半導体は同じ電子に影響を与える。
磁性層に含まれる鉄の割合は14.6％で、キュリー温度は約25ケルビンと推定された。キュリー温度は、材料が強磁性的な秩序を失う温度だ。超伝導測定に用いた温度はそれよりはるかに低く、この条件では(Ga,Fe)Sb層は電気絶縁性を示すため、電流は主にインジウムヒ素を流れる。
この構造では、層ごとに異なる役割を担う。インジウムヒ素は電流を通し、アルミニウムは超伝導輸送を支え、鉄を含む半導体は磁気的な影響を与える。これらの役割を連携させるうえで、層同士の境界が重要となる。
境界面の清浄さが重要な理由
チームは分子線エピタキシー法を使って構造を成長させた。これは真空中で厚さを精密に制御しながら層を堆積させる方法だ。すべての層を大気にさらさずに作製し、材料同士が接する境界面の汚染を抑えた。
半導体積層構造では、厚さ15ナノメートルのインジウムヒ素層を、厚さ20ナノメートルの磁性層の上に形成した。厚さ5ナノメートルのインジウム・ガリウム・ヒ素の薄いキャップ層は、アルミニウムとの界面形成に役立った。アルミニウム膜の厚さは26ナノメートルだった。
磁性材料内で鉄が偏析するのを抑えるため、半導体層は摂氏250度で成長させた。その後、摂氏マイナス40度未満でアルミニウムを堆積させた。この手順により、それぞれの材料に適した条件で層を作製できた。
電子顕微鏡観察では、アルミニウムと半導体キャップ層の境界が清浄で、原子レベルで急峻であることが確認された。一方、論文はキャップ層内に局所的な乱れや欠陥があることも記している。それでも電気測定では、界面を通じて半導体へ超伝導輸送が効果的に伝わることが示された。
電圧が抵抗なしに流せる電流の上限を決める
実験では、電気抵抗が現れるまでに接合を流せる電流の大きさを測定した。この上限は臨界電流と呼ばれる。臨界電流以下では、超伝導接合は電気抵抗による発熱なしに電流を流せる。これを超えると電圧が生じる。
30ミリケルビン、つまり0.03ケルビンで、ゲートのない接合は臨界電流3.00マイクロアンペアに達した。次に研究者らはゲート電極付きの接合を調べた。ゲート電圧をより負にすると、インジウムヒ素チャネルから電子が減り、臨界電流が低下した。
つまりゲートによって、チャネルが支えられる超伝導電流の大きさを調整できる。論文によると、正のゲート電圧では臨界電流が一定になり、測定した電圧範囲全体でゲートを流れる漏れ電流はおよそ10ピコアンペア未満にとどまった。
チームは多重アンドレーエフ反射からも、アルミニウムと半導体の結合を示す証拠を得た。これは超伝導境界で電子励起と正孔励起が繰り返し変換される現象だ。その痕跡は電気測定で6次まで観測され、界面を超えて超伝導輸送がどの程度通りやすいかを評価する手がかりとなった。
測定から得られた超伝導エネルギーギャップは171マイクロ電子ボルトだった。エネルギーギャップは、超伝導を維持する電子対に関係するエネルギー尺度だ。反射測定とゲートへの応答を合わせることで、半導体が隣接する超伝導体の影響下で電流を運ぶ仕組みが示された。
ダイオード効率20％の意味
研究者らが接合に垂直な磁場を印加すると、ダイオード効果が現れた。このとき臨界電流は、電流を流す方向によって異なった。一方向では、逆方向よりも大きな電流を抵抗なしに流せた。
2つの限界値の間の電流では、一方向なら接合は超伝導状態を保つ一方、逆方向では抵抗が生じた。両方の限界値を下回る電流なら、どちらの方向でも超伝導輸送が可能だ。したがって、この方向依存性が働くのは特定の電流範囲に限られる。
研究者らは、臨界電流の大きい方から小さい方を差し引き、その差を両者の和で割ってダイオード効率を算出した。最大値は20％で、接合の磁気干渉パターンが極小となる付近で得られた。
この定義を使うと、結果をイメージしやすい。効率20％は、大きい方の臨界電流が小さい方の1.5倍であることに相当する。例として、同じ電流単位で限界値が1.5と1.0なら、差の0.5を和の2.5で割ると20％になる。この数値は比率の説明のための例であり、実測された最大値は報告どおり20％だ。
効率は、電流の向きによる非対称性を表す。最大値は、印加磁場によって超伝導輸送が抑えられる干渉パターンの極小付近で得られた。したがって、方向による差が最も大きい条件と、流せる電流量が最も大きい条件は異なる。
磁場をかけた履歴で応答が変わる
外部磁場を強めているときと弱めているときでも、接合の応答は異なった。超伝導電流が最大になる磁場は、磁場を変化させる方向によってずれた。研究者らはゲートのある接合とない接合を含む複数のデバイスで、この挙動を繰り返し観測した。
過去の条件に応じて応答が変わる現象はヒステリシスと呼ばれる。磁性材料では、内部の磁気配列に以前の磁場の記憶が残ることがあり、ヒステリシスがよく見られる。今回の接合で繰り返し確認されたずれは、隣接する(Ga,Fe)Sb層が磁気的に超伝導輸送へ寄与していることと整合する。
磁場に対する電流の変化は、フラウンホーファー干渉パターンと呼ばれる一連のピークと極小を示した。このようなパターンが生じるのは、超伝導電流が量子波として振る舞うためだ。磁場が変わると、接合の異なる部分からの寄与が強め合ったり弱め合ったりする。
測定されたパターンには、ピークの不均一さ、磁束の急な跳び、電流の向きによる違いが含まれていた。ある極大付近では、振動周期は0.14ミリテスラで、幾何学的な推定値の1.13ミリテスラと異なっていた。論文ではこの差から、有効磁束集中係数を8.2と算出している。
著者らは、アルミニウム電極の応答、下層からの磁場、磁性や電流の不均一な分布など、磁束集中に寄与しうる要因をいくつか挙げている。全体として、このパターンはデバイスを磁性と超伝導が結合した系として研究する意義を示している。
電流がどこを流れるかは引き続き検証中
研究者らは、電流がチャネル全体に均一に広がっているかどうかも調べた。磁束の急な跳びがない干渉パターンの領域に数学的解析を適用したところ、超伝導電流が物理的な端部付近に集中する傾向が見られた。
顕微鏡画像では、端部付近で接合が短くなっている様子は確認されなかった。著者らは、チャネル端に沿った輸送が、異常な磁気応答や方向依存性に寄与する可能性の一つとして論じている。
各メカニズムがどの程度寄与するかは、まだ解明されていない。論文では、下層からの磁気的影響、電子の運動とスピンを結びつける相互作用、端部付近での輸送の可能性を取り上げている。磁区や捕捉磁束、作製時に生じるばらつきも、干渉パターンの一部に影響する可能性がある。
将来のデバイス設計では、この寄与のバランスを理解することが実用面で重要になる。技術者は、どの材料特性や幾何学的特徴が電流の優先方向、利用可能な電流範囲、ゲート電圧への応答を安定して決めるのか把握する必要がある。
将来の超伝導回路に向けて
ジョセフソン接合は超伝導量子回路の中核部品だ。単純な障壁を半導体に置き換えれば接合を電気的に調整でき、さらに磁性半導体を近接させることで、振る舞いに影響を与える手段を増やせる。
東京大学とNYUの研究は、こうした特徴を一つの構造に組み合わせた。ゲート制御で臨界電流を変えられ、磁気的効果によって電流応答と流れやすい方向が変化する。この組み合わせは、より柔軟に調整できる回路素子を研究するための材料基盤となる。
東京大学は、消費エネルギーの少ない電子機器や、エラーへの耐性を高めた量子コンピューターを長期的な目標として挙げている。今回実証されたのは、極低温で動作する個々の接合の測定結果だ。電流が抵抗なしに流れる利点がある一方、冷却は引き続き実用上の要件となる。
研究者らは磁性層の改良を進めるとともに、電圧と磁性が超伝導電流にどう作用するかを詳しく調べる予定だ。次の研究課題は、観測された効果をより予測可能な制御につなげ、多様な量子回路の設計と作製を後押しすることだ。実用的なコンピューティングデバイスの実現時期は示されていない。
要点
- 東京大学とNYUは、アルミニウム、インジウムヒ素、鉄を含む磁性半導体を組み合わせた横型ジョセフソン接合を開発した。
- チャネルの寸法は長さ約100ナノメートル、幅5マイクロメートルで、実験は0.03ケルビンで行われた。
- ゲートのない接合では抵抗なしに最大3.00マイクロアンペアが流れた。ゲート付きデバイスでは負のゲート電圧によって臨界電流が低下した。
- 接合に垂直な磁場の下で、干渉パターンの極小付近において超伝導ダイオード効率の最大値20％を達成した。
- 複数のデバイスで繰り返し確認されたヒステリシスは、磁気的影響が超伝導輸送に及ぶことと整合していた。
- 研究成果は2026年11月5日に発表された。今後はメカニズムの解明と制御性の向上を進め、将来の量子回路への応用を探る。
