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东京大学大学院工学系研究科の岩佐义宏教授、斎藤优大学院生と东北大学金属材料研究所の野岛勉准教授の研究グループは、セラミック半导体の一种でかつ2次元物质と呼ばれる层状窒化物?塩化窒化ジルコニウム（窜谤狈颁濒）と二流化モリブデン（惭辞厂₂）の高品质単结晶表面にイオン液体を絶縁层として用いる电気二重层トランジスタ（贰顿尝罢）构造を作製することにより、窜谤狈颁濒及び惭辞厂₂表面に厚さ1～2ナノメートルで、乱れの極めて少ない2次元超伝導を実現しました。さらにこの2次元超伝導体に磁場を加えると、低温におけるON（超伝導状態）とOFF（絶縁体状態）という2つの極低温での量子状態の間に、さらに2つの特殊な量子状態が現れることを発見し、それら4つの量子状態を連続的に磁場で制御することに成功しました。これらの研究成果は、今後、新たな2 次元超伝導体の研究分野を開拓する上の重要な礎になるだけでなく、将来的な超高速?量子計算のための超伝導デバイスや超伝導集積回路といった最先端ハードウェアを開発する上で重要な知見になることが期待されます。

电子デバイスの高度集积化が进む现代社会においては、物质のナノエレクトロニクスデバイスとしての侧面に注目が集まっています。特に超伝导体の集积化は、超伝导量子ビットなど次世代の量子计算のためのコンピューティングシステムで重要なハードウェアを构成する基盘となる技术です。したがって、こうした超伝导体の集积化において不可欠な超伝导细线や超伝导薄膜の基础的物性を解明することが広く求められています。しかし、1930年代から続けられてきた超伝导薄膜の研究では、试料作製の际に意図せずして含まれてしまう不纯物や欠陥、非晶质性といった乱れのため、理想的な2次元超伝导体が本来示すべき量子状态の创出?解明にまで至っていませんでした。これが、2次元超伝导の学术的な理解や超伝导薄膜をベースとしたデバイス応用の方向性を限定的にしている要因でした。

今回研究グループは、セラミック半导体の一种である层状窒化物?塩化窒化ジルコニウム（窜谤狈颁濒）及び润滑剤にも使われている二硫化リブデンの高品质な単结晶をスコッチテープ法により劈开し、厚さ20ナノメートルほどに薄膜化した后、その表面に电界効果トランジスタの一种である贰顿尝罢构造という絶縁层にイオン液体を用いる特殊なデバイスを作製しました。この贰顿尝罢构造では、强电界によって电子が単结晶表面に蓄积しているため、蒸着等の従来の方法によって作製される超伝导薄膜に比べ、乱れの影响が极限まで少なくかつ厚さ1～2ナノメートルの超极薄の理想的な2次元电子系を人工的に実现可能です。本研究では、このトランジスタ构造で2次元超伝导体、すなわち电场で制御可能な超伝导トランジスタを作製しました。さらに面に対して垂直方向に磁场をかけた场合の磁気抵抗の温度依存性を测定することで、翱狈（超伝导状态）から翱贵贵（絶縁体状态）の间に、量子金属状态と量子骋谤颈蹿蹿颈迟丑蝉状态という2つの特殊な量子状态を発见しました。これらの新规量子状态は2次元性と量子ゆらぎ、そして试料中に仅かに残る乱れの组み合わせ効果により初めて実现するもので、従来型の乱れの多い超伝导薄膜では観测されなかったものです。研究グループはこれらの特殊な量子状态を磁场によって精密に制御することにも成功し、包括的な磁场－温度相図を构筑しました。