２次元物質におけるバレー・スピン・光複合機能の創成

• Project/Area Number: 17J09152
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 恩河 大 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2019: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 2次元物質 / ヘテロ界面 / 光物性 / 励起子 / 磁性体 / ファン・デル・ワールスヘテロ構造 / 2次元磁性体 / バレー自由度 / ホール効果 / バレートロニクス

Outline of Annual Research Achievements

本年は前年度から続けている磁性体と2次元物質を用いたヘテロ界面における光機能を研究した。これは光・スピン・バレーが複合的に絡み合う機能が発現する舞台であり、本研究の最終目的とするところそのものである。複合機能を創出・研究するにあたり、異種の物性が交わり合うヘテロ界面の研究が必要であり、そのために近年注目が集まる新たなヘテロ界面であるファン・デル・ワールスヘテロ界面に着目した。
具体的には複数種の磁性体と2次元物質の代表的な1つである二セレン化モリブデン(MoSe2)のヘテロ界面を作り、そのMoSe2中の励起子と呼ばれる光と結合した状態が磁性体中のスピン秩序の影響でどのように変調されるかを、光学測定を用いて明らかにした。MoSe2を始めとする半導体群はその光特性から注目されており、またその電子構造からも界面でのスピン自由度との結合が期待できる。結果として、本研究を通じてファン・デル・ワールス磁性ヘテロ界面において、光と密接にかかわる励起子が磁性体中の励起と結合していることが分かった。またその結合に際し、MoSe2が有するバレーがその媒介において本質的に絡んでいる可能性を発見した。
本研究は今まで物質科学・光物性物理の各分野に閉じていた2次元物質の励起子が、他の系との結合を通じスピントロニクスや量子エレクトロニクスなどへと分野横断的に広がっていく可能性があることを示している。今後も本研究に留まらず、2次元物質を用いた複合機能の研究が広がっていくと期待できる。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Holon Inst. of Tech./Weizmann Inst. of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] マックス・プランク研究所(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Max-Plank Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Holon Institute of Technology/Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Journal Article] Deep-learning-based quality filtering of mechanically exfoliated 2D crystals (2019)
  • Author(s): Saito Yu、Shin Kento、Terayama Kei、Desai Shaan、Onga Masaru、Nakagawa Yuji、Itahashi Yuki M.、Iwasa Yoshihiro、Yamada Makoto、Tsuda Koji
  • Journal Title: npj Computational Materials Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41524-019-0262-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes (2019)
  • Author(s): Y. J. Zhang, T. Ideue, M. Onga, F. Qin, R. Suzuki, A. Zak, R. Tenne, J. H. Smet, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Nature Volume: 570 Issue: 7761 Pages: 349-353
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1303-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optoelectronic response of a WS2 tubular p-n junction (2018)
  • Author(s): Zhang Yijin、Onga Masaru、Qin Feng、Shi Wu、Zak Alla、Tenne Reshef、Smet Jurgen、Iwasa Yoshihiro
  • Journal Title: 2D Materials Volume: 5 Issue: 3 Pages: 035002-035002
  • DOI: 10.1088/2053-1583/aab670
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optoelectronic response of a WS2 tubular p-n junction (2018)
  • Author(s): Y. J. Zhang, M. Onga, F. Qin, W. Shi, A. Zak, R. Tenne, J. Smet, Y. Iwasa
  • Journal Title: 2D materials Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exciton Hall effect in monolayer MoS2 (2017)
  • Author(s): M. Onga, Y. Zhang, T. Ideue, and Y. Iwasa
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 16 Issue: 12 Pages: 1193-1197
  • DOI: 10.1038/nmat4996
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical properties in monolayer transition metal dichalcogenide/layered antiferromagnet heterointerfaces (2019)
  • Author(s): Masaru Onga, Yusuke Sugita, Toshiya Ideue, Yuji Nakagawa, Ryuji Suzuki, Yukitoshi Motome, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: The 11th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状反強磁性体を用いた磁性ヘテロ界面における光物性 (2019)
  • Author(s): 恩河大、杉田悠介、井手上敏也、中川裕治、鈴木龍二、求幸年、岩佐義宏
  • Organizer: 第66回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Optical properties of monolayer MoSe2/layered magnets heterostructures (2019)
  • Author(s): Masaru Onga, Yusuke Sugita, Toshiya Ideue, Yuji Nakagawa, Ryuji Suzuki, Yukitoshi Motome, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状物質を用いた磁性ヘテロ界面における光物性 (2018)
  • Author(s): 恩河大、杉田悠介、井手上敏也、中川裕治、鈴木龍二、求幸年、岩佐義宏
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Exction Hall effect in monolayer transition metal dichalcogenides (2018)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: First International Workshop on 2D materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイドにおける励起子ホール効果 (2018)
  • Author(s): 恩河 大, 張 奕勁, 井手上 敏也, 岩佐 義宏
  • Organizer: 第65回 応用物理学会 春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Exciton Hall effect and valley-exciton transport (2018)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exciton Hall effect in valley-polarized excitons (2017)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: CEMS Symposium on Trends in Condensed Matter Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] WS2ナノチューブにおける光電気応答 (2017)
  • Author(s): 恩河 大, 張 奕勁, Feng Qin, Wu Shi, Alla Zak, Reshef Tenne, Jurgen Smet, 岩佐 義宏
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Exciton Hall effect and transport of valley exciton in monolayer MoS2 (2017)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia, 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the Excitonic Hall Effect in Monolayer MoS2 (2017)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: XXVI International Materials Research Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Circularly Polarized Electroluminescence in Transition Metal Dichalcogenides (2017)
  • Author(s): Masaru Onga, Yijin Zhang, Ryuji Suzuki, Yoshihiro Iwasa
  • Organizer: XXVI International Materials Research Congress
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 所属研究室の研究内容紹介
  • URL: http://iwasa.t.u-tokyo.ac.jp/research.html
• [Remarks] 発表論文に関するプレスリリース
  • URL: http://www.t.u-tokyo.ac.jp/soe/press/setnws_201710031308235295448892.html