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Exploring Majorana quasi-particles in monolayer heavy-fermion superconductors

Research Project

Project/Area Number 22K14004
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

浅場 智也  京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (90909417)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords超伝導 / 重い電子系 / トンネル走査顕微鏡 / 重い電子 / 薄膜 / STM
Outline of Research at the Start

トポロジカル超伝導体において創発されるマヨラナ準粒子は、その非可換エニオンという新奇の統計性を示す粒子の元となる粒子として基礎物理学の立場から興味が持たれているだけでなく、トポロジカル量子計算という誤り耐性の高い量子計算を可能にする粒子として、近年世界中で注目され活発に研究されている。本研究では極低温走査型トンネル顕微鏡によりCeCoIn5原子層膜に対しその場観察を行い、純粋な2次元のCeCoIn5でも重い電子の形成が起こり、超伝導に転移するかを検証し、さらに異方的超伝導体を用いた世界初のマヨラナ準粒子創発の決定的証拠を得ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

トポロジカル超伝導体において創発されるマヨラナ準粒子は、その非可換エニオンという新奇の統計性を示す粒子の元となる粒子として基礎物理学の立場から興味が持たれているだけでなく、トポロジカル量子計算という誤り耐性の高い量子計算を可能にする粒子として、近年世界中で注目され活発に研究されている。本研究では極低温走査型トンネル顕微鏡によりCeCoIn5原子層膜に対しその場観察を行い、純粋な2次元のCeCoIn5でも重い電子の形成が起こり、超伝導に転移するかを検証し、さらに異方的超伝導体を用いた世界初のマヨラナ準粒子創発の決定的証拠を得ることを目指す。

第二年度はCeCoIn5原子層膜のSTMスペクトル観察の詳細を解明することに注力した。初年度の研究で探究したように、MgF2基板の上に20nm程度のYbCoIn5をバッファー層として成長させ、その上に薄膜CeCoIn5をエピタキシャル成長させ、磁場を印加した上で試料の表面をSTM装置で観測した。その結果、超伝導ギャップは磁場に対して非常にロバストであり、パウリ限界をはるかに超える上部臨界磁場を持つことがわかった。これらの結果は、この系ではBEC-BCSクロスオーバーと呼ばれる特異な現象が生じている可能性を示唆している。これらの結果は、学術誌

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

第二年度は、CeCoIn5原子層膜の磁場中での詳細なSTMスペクトル観察を行った。その結果、超伝導ギャップは超伝導転移温度から予期される上部臨界磁場に比べて遥かに磁場に対してロバストであり、パウリ限界を大幅に超える上部臨界磁場を持つことがわかった。これらの結果は、この系ではBEC-BCSクロスオーバーと呼ばれる特異な現象が生じている可能性を示唆しており、当初の予定以上に興味深い物理現象を探索できているといえる。

Strategy for Future Research Activity

この系において、二つの重要な課題が挙げられる。一つは、マヨラナ準粒子の証拠の探索である。理論的には、薄膜と基板の[110]方向の境界線上にマヨラナ準粒子のゼロバイアスモードが励起され、さらに磁場の印加によりこのピークが3本に分裂することが予測されている。しかし、このような信号を観測するためには極低温におけるSTM測定が必要であり、今後の課題である。もう一つは、この系で実現していると考えられる、BCS-BECクロスオーバーの詳細な探究である。こちらは、輸送現象測定と組み合わせるなどの方法が考えられる。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (3 results)

All 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Exotic heavy-fermion superconductivity in atomically thin CeCoIn5 films2023

    • Author(s)
      Peng L.、Naritsuka M.、Akutagawa S.、Suetsugu S.、Haze M.、Kasahara Y.、Terashima T.、Peters R.、Matsuda Y.、Asaba T.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Issue: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.l041101

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exotic heavy fermion superconductivity in atomically thin CeCoIn5 films2022

    • Author(s)
      Tomo Asaba L. Peng, M. Naritsuka*, S. Akutagawa, M. Haze**, Y. Kasahara, S. Suetsugu, T. Terashima, R. Peters, Y. Matsuda
    • Organizer
      American Physical Society 2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Superconductivity and formation of heavy-quasiparticles in atomically thin CeCoIn5 films2022

    • Author(s)
      Tomo Asaba L. Peng, M. Naritsuka*, S. Akutagawa, M. Haze**, Y. Kasahara, S. Suetsugu, T. Terashima, R. Peters, Y. Matsuda
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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