レーザ光照射でトポロジカル半金属薄膜上に任意形状の超伝導ナノ構造を作製、無磁場で超伝導ダイオード効果を実証 ―将来の超伝導量子デバイス・量子回路の実現に道―

2026-03-04 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の研究チームは、トポロジカルDirac半金属α-Sn薄膜に集光レーザを局所照射することで、超伝導金属β-Snをナノメートルスケールで任意形状に形成する新しいナノ加工技術を開発した。レーザによる局所加熱でα-Snからβ-Snへの相転移を誘起するため、従来のイオンビーム加工と比べて結晶損傷を抑えつつ、原子レベルで平坦な高品質ヘテロ構造を実現できる。作製したβ-Snナノ細線では、外部磁場がゼロでも電流の向きによって超伝導状態と通常導電状態が切り替わる「超伝導ダイオード効果」を観測し、最大整流率10.8%を達成した。本手法はマスク不要で任意パターンの超伝導構造を描画できるため、トポロジカル量子物理の研究基盤や、将来の超伝導量子デバイス・量子回路の開発に向けた新しいナノ加工技術として期待される。

レーザ光照射でトポロジカル半金属薄膜上に任意形状の超伝導ナノ構造を作製、無磁場で超伝導ダイオード効果を実証 ―将来の超伝導量子デバイス・量子回路の実現に道―
局所的なレーザ照射によりトポロジカルα-Sn薄膜内に超伝導β-Snの微細精密パターンを形成

<関連情報>

トポロジカルSn薄膜における超伝導ヘテロ構造の非破壊レーザーナノパターニング Non-Destructive Laser Nanopatterning of Superconducting Heterostructures in Topological Sn Thin Films

Le Duc Anh, Takahiro Saeki, Keita Ishihara, Daiki Nishigaki, Hideki Maki, Masaaki Tanaka
Advanced Materials  Published: 24 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202512571

ABSTRACT

Heterostructures composed of superconductors and topological materials have emerged as compelling platforms for realizing topological superconductivity and fault-tolerant quantum computation. A critical bottleneck, however, lies in achieving atomically clean and structurally coherent interfaces between dissimilar materials. Here, we report the fabrication of high-quality planar heterostructures composed of the topological Dirac semimetal (TDS) α-Sn and the superconducting β-Sn phase, achieved by focused laser irradiation on α-Sn thin films. The irradiated regions undergo a phase transition from α-Sn to β-Sn, exhibiting atomically smooth surfaces with a root mean square (RMS) roughness of just 0.75 nm. The laser-induced β-Sn demonstrates superconductivity with a critical temperature of 3.7 K and a Ginzburg–Landau coherence length (ξGL) of 68.2 nm. Notably, β-Sn nanowires patterned through this method exhibit a pronounced superconducting diode effect, reaching a maximum rectification ratio (η) of 10.8%. These findings establish laser irradiation as a versatile, non-destructive, and scalable approach for fabricating high-quality α-Sn/β-Sn heterostructures, offering a promising route toward next-generation superconducting quantum devices.

0403電子応用
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