東北大ら,トポロジカル量子コンピューター基盤物質を発見

東北大学大,高エネルギー加速器研究機構らの研究グループは,グラフェンと同じ蜂の巣格子を持つ2ホウ化アルミニウム(AlB2)という物質が,線ノード型のディラック粒子という新しいタイプの電子状態をもつ物質であることを,放射光を用いた角度分解光電子分光実験により発見した(ニュースリリース)。

「トポロジカル超伝導体」の表面には「マヨラナ粒子」という電子状態が現れ,ディラック粒子と同様に,不純物などに対して頑強な性質を持つ。マヨラナ粒子がディラック粒子と異なるのは,自分自身(粒子)とその反粒子が同じである「粒子-反粒子対称性」を持つという点。この対称性は本来,超伝導体が持つ性質だが,それが表面の電子にも受け継がれてマヨラナ粒子となっている。

マヨラナ粒子を演算素子に応用できれば,環境エラーに対して頑強なトポロジカル量子コンピューターを実現できることから,トポロジカル超伝導体とマヨラナ粒子の探索が精力的に進められてきた。しかしながら,これまで見つかったトポロジカル超伝導体候補物質は,そのほとんどが液体ヘリウム温度(4.2K)以下の温度まで冷却する必要があり,またマヨラナ粒子の研究自体もまだ実証の段階であるため,より高い超伝導転移温度を持つ物質の発見が望まれていた。

研究グループは,MgB2のMgを,電子が1個多いAlで置き換えたAlB2の高品質単結晶を作製し,軟X線を利用した角度分解光電子分光を用いて電子状態を決定した。その結果,ディラック粒子の特徴であるX字型のバンド分散を明確に観測した。

さらに高精度な測定から,AlB2のディラック粒子がエネルギーを変えながら面直方向に連なる「線ノード」型と呼ばれる特殊な電子状態をもつことを見出し,AlB2がトポロジカル超伝導体になりうる特殊な電子状態を持っていることが明らかにした。

AlB2自体は非超伝導体だが,MgB2と同型の結晶で電子が1個多いだけの物質であるので,その電子状態は非常によく似ている。MgB2は39Kで超伝導を示す高温超伝導体であり,超伝導を保ったまま,π軌道に十分な電子を供給することができれば,これまでよりはるかに高い超伝導転移温度をもつトポロジカル超伝導体を実現できる。

これは,エラーフリーの超高速トポロジカル量子コンピューターを構成する基盤物質となり,その実現に拍車がかかるものだとしている。

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