キタエフ模型に基づく新奇デバイスの理論的提案

基于 Kitaev 模型的新型装置的理论建议

基本信息

批准号：
21H01025
负责人：
土浦宏紀
金额：
$ 9.73万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

キタエフ模型には量子スピン型と1次元p波超伝導型の2種類が知られており，どちらもマヨラナ準粒子を伴う．本申請課題においては，これら二つのキタエフ模型を基にした，braidingを伴わない量子計算素子や，マヨラナ準粒子によるスピンまたは量子位相伝播を利用した論理ゲート等の理論的提案を行い，その特性やノイズ耐性の評価および，第一原理計算を援用した材料探索までを包含した，キタエフ模型の実用化に関する新たなアプローチを展開する．まず1次元p波キタエフ模型に関しては，この模型を平行に配置したワイヤー対を一つのユニットとみなし，さらにこのユニット間のジョセフソン接合素子を調べてきた．初年度の研究により，ユニット間の結合強度およびワイヤー対間の位相差を制御することにより，トポロジカルジョセフソン特性をはじめ，通常の0接合と呼ばれる特性，さらにはπ接合と呼ばれる特性が得られることを見出した．このようにジョセフソン効果の位相-電流特性を外的に制御できる系は，超伝導量子計算メモリ等への応用が期待される. また，2年目の研究により，こうした多様なジョセフソン電流特性が現れる機構を，マヨラナ準粒子の描像に基づく解析により明らかにすることができた．続いて，量子スピン型キタエフ模型に関しては，遍歴マヨラナ粒子による磁気励起伝播の応用可能性について調べてきた．キタエフ模型における磁気励起を運ぶのは電気的に中性の遍歴マヨラナ粒子である．初年度の研究により，キタエフ模型に外部磁場を印加してマヨラナ粒子にエネルギーギャップを与えることにより，磁気励起伝播のON/OFFが可能であることを見出した．また，2年目の研究により，キャリアをドープした量子スピン型キタエフ模型において，回転対称性の破れたスピン3重項の超伝導状態が発現しうることを見出した．

已知两种基塔耶夫模型：量子自旋型和一维p波超导型，两者都涉及马约拉纳准粒子。在这个应用项目中，我们将基于这两个基塔耶夫模型提出理论建议，例如不涉及编织的量子计算设备，以及利用马约拉纳准粒子产生的自旋或量子相位传播的逻辑门，并研究它们的特性。开发一种用于 Kitaev 模型实际应用的新方法，包括使用第一原理计算评估抗噪性和材料搜索。首先，对于一维p波Kitaev模型，我们将模型中平行排列的一对导线视为一个单元，并研究了这些单元之间的约瑟夫森结元。第一年的研究表明，通过控制单元之间的耦合强度和线对之间的相位差，可以获得拓扑约瑟夫森特性，称为普通0结的特性，甚至我发现的称为π结的特性。可以从外部控制约瑟夫森效应的相电流特性的系统有望应用于超导量子计算存储器等。此外，第二年的研究表明，这些各种约瑟夫森电流特性可以从外部控制。通过基于马约拉纳准粒子图像的分析，我们能够阐明其出现的机制。接下来，关于量子自旋基塔耶夫模型，我们研究了通过流动马约拉纳粒子应用磁激发传播的可能性。基塔耶夫模型中的磁激发由电中性的流动马约拉纳粒子携带。通过第一年的研究，我们发现通过对基塔耶夫模型施加外部磁场并为马约拉纳粒子创造一个能隙，可以打开/关闭磁激励传播。此外，在研究的第二年，我们发现载流子掺杂的量子自旋Kitaev模型中可以出现旋转对称性破缺的自旋三重态超导态。