東京大学、強磁性半導体の素子で超伝導ダイオード効果

ニュース紹介

「強磁性半導体／非磁性半導体ヘテロ接合トランジスタで超伝導電流の電圧制御と超伝導ダイオード効果を実現―省エネルギー電子回路や量子コンピュータに向けた材料基盤の開発―」

東京大学大学院工学系研究科のレ・デゥック・アイン准教授、田中雅明教授、原拓嵩（博士課程）らとニューヨーク大学のJavad Shabani教授らの研究グループは、高移動度の半導体であるインジウム砒素（InAs）に超伝導体と強磁性半導体を組み合わせたトランジスタ構造を作製し、超伝導電流のゲート電圧による制御と、電流の向きで流れやすさが変わる超伝導ダイオード効果を観測しました。

構造は、電流チャネルとなるInAsの下に強磁性半導体(Ga,Fe)Sb、上に超伝導体のアルミニウム（Al）を重ねたもので、超高真空中で原子層ごとに積層しました。温度0.03 Kで、ゲートなしの素子では最大3.00 μAの超伝導電流が流れ、ゲートに負電圧を加えて電子を減らすと超伝導臨界電流が小さくなりました。垂直磁場下では電流の向きで臨界電流が異なり、ダイオード効率は最大20％に達しました。成果は「Communications Materials」に掲載されました。

出典：東京大学 2026年11月5日プレスリリース／掲載誌：Communications Materials／DOI：10.1038/s43246-026-01393-6
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2026-11-05-001

FrontJournalの解説

超伝導と磁性を半導体で両立する難しさ

今回の研究は、超伝導量子回路の中核素子である「ジョセフソン接合」を、強磁性半導体を使って作り込んだものです。「東京大学」の発表によると、ジョセフソン接合（超伝導体を薄い絶縁体や半導体でつないだ素子）は、絶縁体の代わりに半導体を使うと、ゲート電圧で超伝導電流を調整できます。磁性を組み合わせると、新しい電流特性も期待されます。

ただし、超伝導と磁性は互いに妨げ合うため、同じ半導体内で両方を発現させることは、従来困難でした。

①原子レベルで平坦な界面を持つ積層構造

研究グループは、InAsの下に強磁性半導体(Ga,Fe)Sb、上に超伝導体のAlを、超高真空中で原子層ごとに積層しました。大気に触れさせず作製しており、透過型電子顕微鏡で、超伝導体と半導体の界面が清浄で、原子レベルで平坦かつ急峻であることを確認しています。

この構造では、近接効果（接する材料の影響で界面付近に新しい性質が現れる現象）により、InAsに超伝導性と磁性が誘起されます。素子は、2つのAl電極の間に、長さ約100 nm、幅5 μmのInAsチャネルを持つ構成です。

②電圧で制御でき、電流の向きで流れやすさが変わる

温度0.03 Kの測定で、ゲートなしの素子では最大3.00 μAの超伝導電流が流れました。ゲートに負電圧を加えて電子を減らすと、超伝導臨界電流が小さくなっています。垂直磁場下では電流の向きで臨界電流の大きさが異なり、ダイオード効率は最大20％でした。

磁場を増やす場合と減らす場合で超伝導電流が最大になる磁場が変わるヒステリシスも、複数の素子で再現されました。研究グループは、下部の強磁性層による磁気近接効果が超伝導電流に関わっていると示唆しています。現在は極低温での動作原理の解明と制御性の向上を目指す基礎研究の段階で、今後は強磁性層の性能向上を進める計画です。