東京大学物性研究所の峯明史大学院生、鈴木剛助教（研究当時、現在：大阪大学）、岡﨑浩三准教授らは、電気通信大学の坂野昌人准教授、東京大学の石坂香子教授、東京科学大学の笹川崇男准教授らのグループと共同で、トポロジカル超伝導候補物質であるβ-PdBi₂における超伝導状態を高分解能レーザー角度分解光電子分光（ARPES）で明らかにしました。

極低温高分解能レーザーARPESによるβ-PdBi₂のトポロジカル超伝導実証の概念図。超伝導近接効果により、トポロジカル表面状態も超伝導となっていることが観測された。

量子コンピュータは、次世代の情報処理技術として世界的に注目されていますが、その実現には誤りに強い（フォールトトレラント）量子ビットの開発が不可欠です。トポロジカル超伝導体では、物質の端や境界など特定の場所にマヨラナ粒子と呼ばれる、粒子と反粒子の性質を併せ持つ特別な電子状態が現れます。この性質により量子状態を外乱から保護できるため、誤り耐性量子ビットの実現に向けた有力な候補として期待されています。

トポロジカル超伝導は、特定の物質の表面に現れるトポロジカル表面状態に超伝導が誘起されることで実現すると考えられています。トポロジカル表面状態は、物質内部（バルク）の性質にかかわらず、表面に電子のスピンと運動量が強く結びついた特別な伝導状態が現れるものであり、β-PdBi₂はこの表面状態を持ち、5.3 Kで超伝導転移を示すことも知られています。バルクの超伝導が表面状態に浸透する超伝導近接効果によって、トポロジカル超伝導が実現すると考えられています。

本研究では、物性研究所の極低温高分解能レーザーARPESを用いて、β-PdBi₂のバルクと表面の電子状態を同時に観測し、トポロジカル表面状態が超伝導になっていることを世界で初めて直接確認しました。これにより、理論的に予想されていたβ-PdBi₂のトポロジカル超伝導が実験的に実証され、バルクと表面状態の関係が初めて明確になりました。

今回の成果は、トポロジカル超伝導の実証として重要な一歩であり、マヨラナ粒子を活用した誤り耐性量子ビットの実現に向けて大きな進展をもたらすものと期待されます。また、極低温高分解能レーザーARPESを用いた観測手法が、今後のトポロジカル物質研究や量子デバイス開発において強力なツールになることも示しています。

発表論文

• 雑誌名：Physical Review Letters
• 論文タイトル：Direct observation of the surface superconducting gap in the topological superconductor candidate β-PdBi₂
• 著者： Akifumi Mine, Takeshi Suzuki, Yigui Zhong, Sahand Najafzadeh, Kenjiro Okawa,,Masato Sakano, Kyoko Ishizaka, Shik Shin, Takao Sasagawa, and Kozo Okazaki
• DOI：10.1103/3jgn-22rx

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