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東京大学(東大) 大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・物理工学専攻の川粼雅司教授らの研究グループは、マックスプランク固体研究所のJurgen Smet(ヨルグン・シメット)博士のグループと共同で、極めて高品質な酸化亜鉛ヘテロ界面を作製し、GaAs以外のヘテロ界面で特殊な量子相の観測に成功した。

同成果は東京大学大学院新領域創成科学研究科のJoseph Falson(ジョセフ・フォルソン)大学院生、理化学研究所創発物性科学研究センターのDenis Maryenko(デニス・マリエンコ)特別研究員、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の小塚裕介特任講師、東北大学金属材料研究所の塚粼敦教授との共同研究により得られたもの。

異なる物質を組み合わせたヘテロ界面は、トランジスタや発光ダイオードなどの機能性デバイスとして応用されてきた。特に、GaAsのヘテロ界面では最も品質の良い電子が形成され、約30年前に低温で特殊な量子相が発見された。この量子相は、トポロジカル量子コンピュータと呼ばれる、計算エラーを低く保ちつつ飛躍的な計算速度の向上が期待できる、新たなコンピュータへ応用が可能であると考えられているが、その特性は長らく不明だった。

今回の研究では、酸化亜鉛を用いた高品質ヘテロ界面を作製し、添加元素を用いず、結晶内部の電場を利用することで、極めて高品質な電子系を形成。理論的に未解決の量子相が酸化亜鉛のヘテロ界面で観測された。この量子相はエラーが起こりにくい強いトポロジカル量子計算に用いられる可能性があり、GaAsには無い特性を用い、より多角的な研究を可能にする。

今回の発見で、酸化亜鉛にはGaAsにはない制御性があることが明らかとなり、酸化亜鉛がこの量子相の理解を進展させるのに非常に重要な材料であることを示した。

なお、同研究成果は、英国科学雑誌「Nature Physics」の電子版(2015年3月23日版)に掲載された。

(松本暢夫)