超伝導体を近接させたバリスティック2次元電子系における準粒子のコヒーレント伝導

入江宏¹　Clemens Todt¹　熊田倫雄¹　原田裕一¹　杉山弘樹²　赤﨑達志¹　村木康二¹
¹量子電子物性研究部　²NTT先端集積デバイス研究所

　近年、半導体における超伝導近接効果を利用した新奇量子相の探索[1]や新機能素子の開発[2]が精力的に行われている。超伝導体と半導体の界面では、アンドレーエフ反射によって生成されたボゴリューボフ準粒子が電荷輸送を担っており、その制御および検出技術の重要性が高まっている。本研究では、超伝導体に近接した高移動度2次元電子ガス(2DEG)における準粒子の輸送特性を調べた[3]。試料は超伝導Nb電極とIn_0.75Ga_0.25As-2DEGの接合であり、Nb/InGaAs界面の直近に量子ポイントコンタクト(QPC)をもつ［図1(a)］。試料サイズに比べ平均自由行程が十分長いため、準粒子はバリスティックに伝搬すると考えてよい。QPCを通ってNb/InGaAs界面に入射した電子は、アンドレーエフ反射によって自身の時間反転粒子である準粒子正孔となり、入射前に辿った軌道を正確に引き返しQPCに帰ってくる。このとき、QPCの透過率が高ければ、準粒子正孔がQPCを透過するため微分電気伝導度は増大する。我々の実験では、透過率T_QPCが1の場合に単一チャネルあたりの伝導度が量子化値e²/hを超えることが確認された［図1(b)］。一方、QPCの透過率が十分低い場合、準粒子はQPCとNb界面の間に閉じ込められ、アンドレーエフ束縛状態(ABS)と呼ばれる量子準位を形成する。また、透過率の低いQPCは、トンネルプローブとしてABSの検出にも用いることができる。図1(c)にT_QPC = 0.2における微分伝導度スペクトルを示す。ABSへの共鳴トンネルを反映して、超伝導ギャップ内に一対のピーク構造が観測される。ピーク位置は0.29Δ₀（Δ₀：Nbの超伝導ギャップ）であり、バリスティック接合の理論モデル[4]と良い一致を示した。以上の結果は、超伝導体と結合したバリスティックな2DEGにおいて、準粒子がコヒーレンスを保ちながらアンドレーエフ反射していることを示している。