[論文レビュー] Aharonov-Bohm Effect at liquid-nitrogen temperature: Frohlich superconducting quantum device

Masakatsu Tsubota, Katsuhiko Inagaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、TaS₃の電荷密度波（CDW）ループにおいて、79 Kという従来の超伝導転移温度をはるかに上回る温度で、85 µmの直径を有するリングにおけるマクロな量子干渉を介して、アハロノフ＝ボーム効果を実証した。観測された周期的磁気抵抗振動は、h/2e（39.7 mGauss）の周期を示しており、これは一貫したCDW輸送を確認するものであり、液体窒素温度で動作するフロイリッヒ型の超伝導量子デバイスの可能性を示唆している。

ABSTRACT

The Aharonov-Bohm (AB) effect has been accepted and has promoted interdisciplinary scientific activities in modern physics. To observe the AB effect in condensed matter physics, the whole system needs to maintain phase coherence, in a tiny ring of the diameter 1 micrometer and at low temperatures below 1 K. We report that AB oscillations have been measured at high temperature 79 K by use of charge-density wave (CDW) loops in TaS3 ring crystals. CDW condensate maintained macroscopic quantum coherence, which extended over the ring circumference 85 micrometer. The periodicity of the oscillations is h/2e in accuracy within a 10 percent range. The observation of the CDW AB effect implies Frohlich superconductivity in terms of macroscopic coherence and will provide a novel quantum interference device running at room temperature.

研究の動機と目的

• 高温における電荷密度波（CDW）系でのマクロな量子干渉の実証。
• 理論的・実験的課題により長らく確認されていなかった、CDW凝縮体におけるアハロノフ＝ボーム効果の観測。
• 液体窒素温度で動作するCDWループを基盤とする量子干渉デバイスの開発。
• CDWに基づくAB振動と準粒子またはアハロニ・アロノフ＝スピヴァック効果を区別すること。

提案手法

• 化学蒸発法を用いて、直径27 µmおよび17 µmの単結晶TaS₃リングおよびチューブ試料を調製した。
• 焦点を合わせたイオンビーム（FIB）を用いて、試料を閉じたループ形状に正確に切断・加工した。
• 電子ビームリソグラフィーを用いて、電気的輸送測定用の金電極を付加した。
• 渦電流を抑制するために、ゆっくりとした磁場スイープ速度（50 mGauss/sec）を用いた低温度（5.1 K）磁気抵抗測定を実施した。
• 振動のパワースペクトルを解析し、周期性を抽出するとともに、ΔB = h/(e*πr²) を用いて有効電荷を推定した。
• 電圧-電流測定を実施し、オーム成分を除去することで、CDWのすべり運動を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 K以上の温度、例えば79 Kで、CDW凝縮体におけるアハロノフ＝ボーム効果が観測可能か？
• RQ2 磁気抵抗に観測されたh/2e周期性は、準粒子干渉ではなく、一貫したCDW輸送に起因するか？
• RQ3 79 Kで85 µmの長さを有するCDWループが、マクロな量子干渉を維持できるか？
• RQ4 CDWソリトンが、観測されたh/2e周期性と整合する2eの量子化電荷を運ぶか？
• RQ5 CDWに基づく系は、液体窒素温度または室温で動作する量子干渉デバイスとして機能可能か？

主な発見

• 85 µmの周囲を有するTaS₃リング結晶において、79 Kでアハロノフ＝ボーム効果が観測された。
• 磁気抵抗振動は39.7 mGaussの周期を示し、h/2eに対応しており、10%の精度で一致した。
• 有効電荷e*は3.0 × 10⁻¹⁹ Cと推定され、2e（3.2 × 10⁻¹⁹ C）と整合的であった。
• パワースペクトルにはh/eやh/4eの振動の兆候が認められず、準粒子干渉モデルを除外できた。
• 振動の振幅は印加電圧に応じて増加し、しきい値電圧を超えた領域でCDWのすべり運動と相関した。
• CDWソリトンが2eの電荷を有し、単一の鎖に沿って一貫して移動することで、マクロな量子干渉が可能になるというモデルが支持された。