| Project/Area Number |
20K14413
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | ２次元超伝導体 / 熱電効果 / 超伝導-絶縁体転移 / 量子渦(渦糸) / 超伝導ゆらぎ / 異常金属状態 / 量子臨界 |
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| Outline of Research at the Start |
超伝導体の2次元薄膜に磁場を印加すると超伝導から絶縁体への量子相転移が生じる．臨界点近傍において，乱れの強い系では量子化磁束(渦糸)のボース凝縮(BEC)が予想され，乱れの弱い系では2次元系では許されないはずの絶対零度の金属状態が観測されている．これらは強相関効果などがない単純な系で生じ，臨界点近傍の強い量子ゆらぎが起源とされるが，電気抵抗測定以外の実験はほぼない．本申請では，ゆらぎを敏感に検出できる熱電効果測定用いて，極低温下での超伝導ゆらぎを精密評価し，渦糸BECの実験的検出，および金属相の起源解明に挑む．本実験で得られた量子臨界現象の知見は，より複雑な系の解釈へも波及すると予想する．
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| Outline of Final Research Achievements |
In two-dimensional superconductors, quantum liquid and condensation of magnetic flux lines, which are caused by strong quantum fluctuations in the very low-temperature and high-field region, have been suggested by electrical resistance. However, conclusive evidence has not yet been obtained. To verify these phenomena, in addition to the electrical resistance measurements, in this study we conducted the thermoelectric effect measurements down to 0.1 K, which can clearly detect the motion of the magnetic flux lines. In a 12 nm-thick amorphous MoxGe1-x thin film, we revealed that the anomalous residual resistance observed in the high-field region is caused by the quantum liquid of flux lines. Furthermore, by measuring a 10 nm-thick sample over a wide temperature-field range, we revealed the boundary line between the thermal and quantum fluctuation regions, demonstrating that the origin of the quantum liquid of flux lines is due to the existence of a quantum critical point.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
磁束線の量子液体は，2次元超伝導体で普遍的に生じる超伝導-絶縁体転移に付随する現象である．通常，2次元超伝導体や層状超伝導体では物質固有の現象と2次元効果が混ざって観測されるため，アモルファス超伝導薄膜という単純な系で得られた知見は，これらを分離するために重要である．
現在研究されている超伝導量子ビットでは磁束線一本の量子性を利用しているのに対し，本研究では超伝導体を貫く磁束線が集団的に示す量子性を明らかにした．このことは，量子計算機としての機能が期待される冷却原子気体のような量子多体系が，固体中にも形成される可能性を示唆しており，新たな量子デバイス開発の指針となると期待される.
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