超伝導マイクロ波共振器で単一磁束量子の侵入を検出 ―個々のアブリコソフ渦糸の侵入をマイクロ波で捉える新手法―

2026-09-25 東京大学素粒子物理国際研究センター,東京科学大学

東京大学素粒子物理国際研究センターと東京科学大学などの研究グループは、超伝導マイクロ波共振器を用いて、超伝導体に磁束量子が1個ずつ侵入する現象を電気的に検出する新手法を開発した。研究チームは、ニオブ薄膜で作製した共振器の一部に幅1~10マイクロメートルの狭窄部を設け、約20ミリケルビンまで冷却して外部磁場を変化させながら、共振周波数と損失を測定した。その結果、個々のアブリコソフ渦糸の侵入に対応すると考えられる、共振周波数の階段状の変化と共振器のQ値の低下を観測した。さらに、ダイヤモンド中の窒素・空孔(NV)センターを利用した量子ダイヤモンド顕微鏡で渦糸の侵入を直接観察し、マイクロ波測定の結果を独立に裏付けた。本手法は、一般的なマイクロ波伝送測定で個々の渦糸を検出できる点が特徴である。超伝導量子ビットや共振器の損失原因の診断・低減に加え、渦糸の運動やピン止めの基礎研究、将来的な情報担体としての利用につながることが期待される。

超伝導マイクロ波共振器で単一磁束量子の侵入を検出 ―個々のアブリコソフ渦糸の侵入をマイクロ波で捉える新手法―
図1:実験に用いた超伝導マイクロ波共振器
(a)共通フィードラインに結合した4つの1/4波長共振器。(b)共振器の接地端に設けたテーパー部と細い狭窄部(ネック)の拡大像。右上は狭窄部近傍のさらに拡大した像。ネックで電流密度を高めることで、渦糸侵入に対する感度を向上させています。

<関連情報>

共平面超伝導共振器における個々の渦の侵入の観測 Observation of Individual Vortex Penetration in a Coplanar Superconducting Resonator

Kirill Shulga, Shunsuke Nishimura, Pavel A. Volkov, Miu Hirano, Toshiaki Inada, Ryota Hasegawa, Takeyuki Tsuji, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano et al.
Physical Review Letters  Published: 10 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/4zw3-hm6t

Abstract

We demonstrate the microwave signatures of individual Abrikosov-vortex penetration events in superconducting microwave resonators. /4 resonators with a narrowed region near the grounded end acting as a vortex trap were fabricated and studied using microwave transmission spectroscopy at millikelvin temperatures. Sharp stepwise drops in resonance frequency are detected as a function of increasing external magnetic field, attributed to the entry of individual Abrikosov vortices in the narrow region. This interpretation is confirmed by nitrogen-vacancy center magnetometry, revealing discrete vortex entry events on increasing field and the absence of such drops in a device with a wider narrowed region. Our results establish a method to investigate and manipulate the states of Abrikosov vortices with microwaves access and readout vortex configurations using magnetic-field sweeps and microwave drive.

0403電子応用
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