Challenge for detection of cooper-pair pure spin current

• Project/Area Number: 20K20443
• Project/Area Number (Other): 19H05522 (2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2019)
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Shiraishi Masashi 京都大学, 工学研究科, 教授 (30397682)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: クーパー対 / スピン偏極 / 超伝導 / スピントロニクス / トポロジカル超伝導 / カイラル / 原子膜 / スピン構造 / スピン計測 / スピン流 / トポロジー / トポロジカル / 純スピン流

Outline of Research at the Start

トポロジカル超伝導体や遷移金属ダイカルコゲナイド超伝導体では、スピン軌道相互作用由来のスピンと運動量のロッキングによってクーパー対が自動的に純スピン流になることが申請者の考察から予想される。本提案では従来の物性物理において未発見のこのクーパー対純スピン流の計測に挑戦する。計測には代表者が得意とする電気的なスピン流計測手法を用い、材料としてはトポロジカル超伝導であると期待される原子膜遷移金属ダイカルコゲナイドを用いる。超伝導の実現を嚆矢として、そこにおけるクーパー対がもつスピン構造を上記計測手法で明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

We utilized Fe-based layered superconductors. In the project, robustness of superconductivity for ferromagnet, amplitude of Hc of the layer superconductor equipping ferromagnetic films with perpendicular magnetization, and spin detection in Weyl semimetal that can exhibit superconductivity are realized. At the final stage of the project, we obtained an experimental result that suggests successful detection of spin polarization in the layered superconductor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

4年間の研究期間で、将来的な量子計算技術の構築につながる極めて重要かつ挑戦的課題にも関わらず、多くの技術的基盤を構築でき、目指すクーパー対由来のスピン構造を計測できていることを示唆する実験結果を得るに至るまでに発展した。

Research Products

• [Journal Article] All-electric spin device operation using the Weyl semimetal, WTe2, at room temperature (2023)
  • Author(s): K. Ohnishi, M. Aoki, R. Ohshima, E. Shigematsu, Y. Ando, T. Takenobu and M. Shiraishi
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 9 Issue: 1 Pages: 2200647-2200647
  • DOI: 10.1002/aelm.202200647
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrical transport properties of atomically thin WSe₂ using perpendicular magnetic anisotropy metal contacts (2022)
  • Author(s): Gupta S.、Ohshima R.、Ando Y.、Endo T.、Miyata Y.、Shiraishi M.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 1 Pages: 013102-013102
  • DOI: 10.1063/5.0079223
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of a superconducting state of a topological superconductor candidate, FeTe0.6Se0.4, equipping ferromagnetic electrodes with perpendicular magnetic anisotropy (2021)
  • Author(s): K. Ohnishi, S. Gupta, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Matsuda, E. Shigematsu, R. Ohshima, Y. Ando and M. Shiraishi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Pages: 093002-093002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Approaching barrier free contacts to monolayer MoS2 based field effect transistor (2021)
  • Author(s): G. Sachin, F. Rortais, R. Ohshima, Y. Ando, T. Endo, Y. Miyata and M. Shiraishi
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 13 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41427-021-00284-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ワイル半金属WTe2における室温スピン計測の実現 (2023)
  • Author(s): 白石誠司、大西康介、青木基、大島諒、重松英、安藤裕一郎、竹延大志
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] All-electric measurement of perpendicularly spin polarization in Weyl semimetal, WTe2 , at room temperature. (2022)
  • Author(s): K. Ohnishi, M. Aoki, E. Shigematsu , R. Ohshima , Y. Ando , T. Takenobu and M. Shiraishi
  • Organizer: MMM 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of the upper critical field of possible Ising-type topological superconductor FeTe0.6Se0.4 with PMA electrodes (2021)
  • Author(s): K. Ohnishi, S. Gupta E. Shigematsu, R. Ohshima, Y. Ando, M. Shiraishi, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Matsuda
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] 京都大学からのプレスリリース
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/52qrml
• [Remarks] プレスリリース内容がマイナビニュースに紹介されたもの
  • URL: https://news.mynavi.jp/techplus/article/20221012-2479343/
• [Remarks] 原子膜半導体のスピン機能開拓に前進
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-02-09