Exploring higher-order topological states in van-der-Waals 2D materials
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21H01022
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
若村 太郎 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 研究主任 (60898899)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋坂 昌幸 東京大学, 物性研究所, 准教授 (80550649)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
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| Keywords | トポロジカル / 原子層物質 / メゾスコピック物理 / 電気伝導測定 / 電流揺らぎ測定 / トポロジカル現象 / 超伝導 / スピントロニクス / 誘電体 |
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| Outline of Research at the Start |
WTe2やMoTe2などの3次元トポロジカル原子層物質では、1次元トポロジカル端状態を持つ高次トポロジカル絶縁相の発現が予言されている。しかし、高次トポロジカル端状態の観測例は非常に少なく、その有用性は十分に実証されたとは言えず、また無散逸伝導特性の起源も不明である。本研究では、原子層物質における高次トポロジカル端状態の観測、そのスピン依存伝導特性の評価、さらに無散逸伝導特性の起源の解明を、高品質の原子層物質ヘテロ接合を電流測定と電流ゆらぎ測定を組み合わせることで達成することを目指す。本研究の成果は物質科学のみならず、量子情報・スピントロニクス等の科学技術分野に波及効果をもたらすものである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題「原子層物質における高次トポロジカル現象の解明と制御」では、トポロジカルに非自明なバンド構造を有する原子層遷移金属ダイカルコゲナイド、MoTe2及びWTe2に着目し、3次元バルク結晶において1次元の弾道的端状態(ヒンジ状態)が生成される「高次トポロジカル状態」を電気伝導現象を通じて観測することを最終目標としている。具体的な測定方法としては、超伝導臨界電流の磁場依存性におけるヒンジ状態由来の短周期フラウンホーファー振動の観測、また素子端と素子内部の電流揺らぎ測定の比較によるヒンジ状態の弾丸的伝導状態の証明を目指す。加えて、空間反転対称性を持たない結晶構造に由来する非相反電気伝導現象、及び誘電分極と超伝導の結合による超伝導の電気的制御に関する研究も実施する。
令和4年度は令和3年度に引き続き超伝導トポロジカル物質MoTe2の常伝導状態並びに超伝導状態における基礎物性の評価と超伝導特性の膜厚依存性の評価、また非相反電気伝導の観測を行った。加えて、2原子層のMoTe2において超伝導特性のゲート電圧による変調を試みた。また、本研究の最終目標であるヒンジ状態を電流揺らぎ測定を用いて同定するため、前年度に開発した原子層物質を用いた電流揺らぎ測定のためのセットアップを希釈冷凍機に実装し、薄膜化したWTe2を用いて低温にて電流揺らぎ測定を実施した。この素子には2原子層と極めて薄い六角窒化ホウ素を絶縁層としたトンネル電極を接合し、電極の素子端からの接合距離を変化させることにより、電流揺らぎの接合距離依存性の評価を試みた。この結果、電子が絶縁層を相関なくトンネリングすることで生じるショットノイズを測定することに成功した。一方、当初予想していた接合距離と電流揺らぎの相関は明らかではなかった。また、WTe2自体からも拡散的な伝導をする金属と同様と見られる電流揺らぎを生じることが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和4年度は、i) MoTe2における超伝導状態での非相反電気伝導の測定 ii) 数原子層MoTe2の超伝導状態の膜厚依存性と物性評価 iii) 原子層物質を用いた電流揺らぎ測定の実施 の主に3つを行うことが出来た。特にi)については国内学会及び国際会議で研究発表を行い、学術誌に現在論文投稿中である。また、ii)についても研究会での発表を行い、論文執筆を開始し、令和5年度内の出版を目指している。iii)は、本研究の最終目標であるヒンジ状態観測の達成に重要なステップである。ヒンジ状態を測定するためには複雑なデバイス構造をもつヘテロ構造が必要であるが、極めて薄い六角窒化ホウ素の作製、同定技術や前年度に確立した電極作製技術を用いて実際に低温で測定可能な素子を作製することが出来た。これまで実施した測定では当初の予想と一致する実験結果は得られていないが、ショットノイズの測定には成功し、これまで原子層物質ではほとんど行われてこなかった電流揺らぎ測定を原子層物質にも応用可能なことを証明することが出来た。また、本測定を通してこれまで直流測定のために設計されてきた従来の素子構造や、電極部分の抵抗の大きさ、配置などの問題点が明らかとなった。一方、今回用いた測定セットアップは素子側の特性が考慮されていなかった点もあり、これらの知見を今後の素子設計並びに測定系の改良にフィードバックすることで、より定量的な測定を行うことが可能となる。これにより、さらに物理的に有用な情報を得られるようになることが期待される。
上記に加えて、低温における電流揺らぎの精密測定に関連して、自作の高移動度ガリウムヒ素トランジスタを用いた低温トランスインピーダンスアンプによる高速かつ低ノイズな時間領域での電流計測に関する論文をApplied Physics Letters誌から出版した。
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| Strategy for Future Research Activity |
高次トポロジカル絶縁体相に由来するヒンジ状態の観測に向け、WTe2を用いて電流揺らぎ測定を実施する。まずは電極がバルクと端の両方に接合された簡単な素子構造の試料を作製し、低温にて電流揺らぎ測定を行う。昨年度の測定では電圧印加により電流揺らぎ測定を実施していたが、電極に用いている金属部分の電気抵抗が大きいために試料に印加されている電圧値を定量的に評価することが困難だった。このような問題を避けるため、電極部分の抵抗が可能な限り小さくなるような電極の設計とし、また電圧印加ではなく電流印加によって電流揺らぎ測定を実施出来るよう測定系を改良する。このような測定系を用いて、まずは拡散的な伝導領域における電流揺らぎ測定を行う。電流揺らぎの大きさは電力スペクトル密度と電流の比であるファノ因子によって評価される。拡散的な伝導領域では、ファノ因子は試料の大きさによって変化する。特に、電子-電子相互作用長より系が小さい場合、ファノ因子が1/3になることが予想される。一方、系が電子-電子相互作用長より大きく電子-フォノン相互作用長より小さい場合、ファノ因子は3^0.5/4となる。これを大きさの異なる2つの素子でファノ因子を比較することにより実証する。また、この測定で得られた知見を活かし、素子端のみに電極が接合した試料を用いて電流揺らぎ測定を行う。素子端に存在が予想される高次トポロジカル絶縁体相に由来するヒンジ状態は弾道的な伝導をしているとされ、チャネルの散乱強度がバルクの伝導チャネルに比べて弱いため、電子の散乱によって生じる電流揺らぎは抑制されると考えられる。測定された電流揺らぎをバルクでの値と比較することにより、ヒンジ状態の存在を証明する。さらに、ヒンジ状態は結晶軸方向に依存するため、電極が接合する素子の端の結晶軸方向が異なる複数の試料を作製し、電流揺らぎの大きさの結晶軸方向依存性を調べる。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
