随着包含生成式AI在内的信息技术的发展，为了能实时处理爆炸性增长的海量数据，现有设备需要在功能上实现飞跃性提升，同时还需要降低功耗、提高集成度，所以迫切需要一种能够从根本上改变信息处理方式的量子运算模式。拓扑超导作为实现容错量子计算中量子比特的有力候选——“马约拉纳准粒子”所需的关键材料平台而受到极大关注。以往关于拓扑超导的研究中，利用的是拓扑绝缘体（TI）和拓扑狄拉克半金属（TDS）等拓扑非平凡材料与传统超导体的复合结构中的邻近效应。为了打造大规模量子计算所需的材料平台，必须要构建拓扑材料和超导体之间的高质量界面、材料制备和器件加工简便且成本低廉、具备进行纳米级精密加工的能力的条件。然而，满足这些要求至今仍非常困难。
图1：本研究开发的α-Sn/β-Sn平面纳米结构制造方法（供图：东京大学）
通过照射Ga聚焦离子束（FIB），可以在任意位置以任意形状引发从拓扑狄拉克半金属α-Sn向超导金属β-Sn的相变（左）。扫描电子显微镜（SEM）图像为使用该方法制作的由β-Sn/α-Sn（宽70nm）/β-Sn组成的约瑟夫森结（中），以及嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn纳米细线（宽180nm，右）。
东京大学研究生院工学系研究科附属自旋电子学学术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（研究当时）石原奎太、研究生堀田智贵、研究生（研究当时）稻垣洸大、研究生牧秀树、研究生佐伯崇宽等的研究团队，通过对拓扑狄拉克半金属（TDS）α-Sn薄膜照射聚焦至数纳米的细粒子束，以离子碰撞产生的热量使α-Sn相变为β-Sn，实现了在α-Sn膜面内部的任意位置形成任意形状的超导体β-Sn纳米结构的新技术。利用该技术，研究团队成功制造了由超导体β-Sn/TDSα-Sn（70纳米）/超导体β-Sn组成的约瑟夫森结结构，以及嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn纳米细线（宽度180纳米）结构。凭借热量形成的β-Sn/α-Sn界面原子级峻峭且杂质混入减少，质量优于既往的制造方法。
此外，在嵌入α-Sn膜面内部的β-Sn超导纳米细线中，当在细线平行方向上施加磁场的状态下改变电流方向时，纳米细线的超导临界电流变化幅度达到了70%。也就是说，在电流沿某一方向流过纳米细线时，细线处于电阻为零的超导状态，而当电流沿反方向流动时，细线处于电阻不为零的常导状态。由此，研究团队发现该材料可以起到超导二极管元件的作用。这种超导二极管效应的形成原因被认为是在β-Sn界面附近的邻近效应下导致TDSα-Sn的拓扑电子状态变为超导状态。该实验首次证实了Sn基超导体/TDS异质结具有丰富物性的功能。
研究团队开发的由Sn基超导体/拓扑材料组成的异质结构，由于其制造方法简单且具有高质量的结晶性和界面，有望作为一种实现可以规模化的量子计算技术的拓扑量子计算电路平台材料。
本研究的成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Large superconducting diode effect in ion-beam patterned Sn-based superconductor nanowire/topological Dirac semimetal planar heterostructures
DOI：10.1038/s41467-024-52080-4
