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―

2026-11-05 東京大学

東京大学大学院工学系研究科と米国ニューヨーク大学の研究グループは、超伝導と強磁性の性質を融合した新しい半導体トランジスタを開発した。研究では、高い電子移動度を持つインジウム砒素(InAs)半導体を、超伝導体のアルミニウム(Al)と強磁性半導体(Ga,Fe)Sbで挟んだヘテロ接合構造を作製した。極低温環境において、半導体チャネルに電気抵抗ゼロの超伝導電流を流し、ゲート電圧によって電流の大きさを制御することに成功した。さらに、電流の流れる方向によって通電しやすさが異なる「超伝導ダイオード効果」も観測した。これは、半導体チャネルに作用する強磁性相互作用が超伝導電流に影響を与えている可能性を示す成果である。従来の超伝導デバイスでは制御に磁場が必要となる場合があったが、本技術は電圧と磁性を組み合わせた電流制御を可能にする。将来的には、消費電力の小さい電子回路や、量子状態の制御性・安定性を高める量子コンピュータ向け素子の実現につながると期待される。

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―
概念図:ゲート電圧で制御する超伝導と磁性の融合

<関連情報>

強磁性半導体ジョセフソン接合における超伝導と強磁性の相互作用 Interplay of superconductivity and ferromagnetism in ferromagnetic-semiconductor-based Josephson junctions

Hirotaka Hara, Lukas Baker, Axel Leblanc, Shingen Miura, Keita Ishihara, Melissa Mikalsen, Patrick J. Strohbeen, Jacob Issokson, Masaaki Tanaka, Javad Shabani & Le Duc Anh
Communications Materials  Published:05 November 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43246-026-01393-6

Abstract

The interplay between superconductivity and ferromagnetism has long been pursued as a route to unconventional Josephson effects, yet suitable material platforms remain limited. Here we report Josephson junctions based on epitaxial Al/InAs/(Ga,Fe)Sb heterostructures grown by low-temperature molecular beam epitaxy, achieving atomically abrupt superconductor/semiconductor/ferromagnetic-semiconductor interfaces. The devices exhibit clear proximity-induced superconductivity, including multiple Andreev reflections and gate-tunable supercurrents, confirming transparent coupling across the hybrid structure. Under perpendicular magnetic fields, the junctions reveal highly unconventional Fraunhofer interference patterns with hysteresis, flux jumps, asymmetric lobe evolution, and clear nonreciprocity, which are consistent with induced ferromagnetism and broken time-reversal symmetry, and may also indicate the presence of edge-channel transport in the Josephson junctions. Our results demonstrate that ferromagnetic semiconductor heterostructures can serve as a highly tunable platform for exploring proximity-induced superconductivity and superconducting diode effects, and for advancing device concepts at the intersection of magnetism and quantum electronics.

0403電子応用
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