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原子層高温超伝導体を用いた高密度マヨラナ格子の創製への挑戦

Research Project

Project/Area Number 22K18966
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

平原 徹  東京工業大学, 理学院, 教授 (30451818)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords物性実験 / 原子層薄膜 / 高温超伝導 / トポロジカル超伝導 / 表面界面 / 原子層物質 / 超伝導
Outline of Research at the Start

本研究では、トポロジカルな性質を有する高温原子層超伝導体を用いて基板界面を磁性元素で修飾することにより、高密度マヨラナ格子を創製することに挑戦する。研究代表者がこれまで研究してきた単層FeSeはSrTiO3(STO)基板上に成長させることで40-109Kという高い転移温度を示す。本研究ではこれを踏まえ、まず単層Fe(Se,Te)/STOのトポロジカル超伝導としての特性を実験的に明らかにする。さらに、自己組織化によって磁性元素で修飾されたSTO表面を基板として単層Fe(Se,Te)を成長することで、無磁場下でトポロジカル超伝導体に特徴的なマヨラナ状態を高密度で生成することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

SrTiO3(STO)基板上の単層FeSe薄膜は、40 Kという高い転移温度Tcで超伝導を示すことが報告されている。本研究ではこれを単層Fe(Se,Te)薄膜に発展させ、 Fe(Se,Te)のトポロジカル超伝導特性を活用し、さらに自己組織的に磁性元素を並べることで、高温でマヨラナ正方格子を実現することが目的である。
本年度はこの目標に向けて、まずはSTO上の単層Fe(Se,Te)の成長様式の評価と物性評価を走査トンネル顕微鏡/分光(STM/STS)測定で行った。これまでFeTeがFeSeよりも低温の300℃で薄膜成長し、400℃程度の加熱により壊れてしまうことが分かっている。これはSeの方がTeよりも薄膜作製において基板につきやすい傾向があることを示しており、作製された薄膜におけるSeとTeの比が実際に薄膜形成時の比と同じであるかも定かではない。まずはこれらの懸念事項を検討するため、Se:Te:Feの蒸着スピードを4:4:1にして、STO基板温度を300℃に設定して薄膜作製を行った。これまで報告されている、原子分解能像における高さの違いおよび単層と2層目のFe(Se_xTe_(1-x))の高さの違いを参考にして作製した試料のSTM像を丁寧に解析したところ、SeとTeの蒸着スピードと同じx=0.5の試料が形成されていることが分かった。さらにSTSによる電子状態測定によって単層ではFeSeと同じような超伝導ギャップが、2層Fe(Se_0.5Te_0.5)では時間反転対称性を破った表面状態の存在が示唆された。今後これらの興味深い特徴をより詳細に検討すると同時に磁場印加およびFe蒸着によってマヨラナ準粒子の存在を確立し、さらにそれを自己組織化によって大量に生成することを目指す。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高品質な単層Fe(Se_0.5Te_0.5)薄膜の作製ができた上に電子状態測定で先行研究を再現してさらに新しい知見が得られたので、順調に推移していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本年度得られた高品質な単層Fe(Se_xTe_(1-x))薄膜の作製条件のさらなる最適化を行い、xによる特性の違いをまず検証する。さらに磁性Fe元素を表面に自己組織化で並べることでマヨラナ状態の検出、およびその高密度集積化に挑戦する。

Report

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

    (57 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 9 results) Presentation (47 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-intercalated Bilayer Graphene Induced by Confinement Epitaxy2024

    • Author(s)
      Satoru Ichinokura, Kei Tokuda, Masayuki Toyoda, Kiyohisa Tanaka, Susumu Saito, and Toru Hirahara
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: xx

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    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Issue: 7 Pages: 071601-071601

    • DOI

      10.1063/5.0140074

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    • Author(s)
      一ノ倉 聖 , 豊田 雅之, 斎藤 晋, 平原 徹
    • Journal Title

      Vacuum and Surface Science

      Volume: 65 Issue: 11 Pages: 502-507

    • DOI

      10.1380/vss.65.502

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2022-11-10
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    • Journal Title

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      Volume: 65 Issue: 9 Pages: 405-410

    • DOI

      10.1380/vss.65.405

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2022-09-10
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      Volume: 5 Issue: 9 Pages: 10891-10891

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      Volume: 105 Issue: 23 Pages: 235307-235307

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      Volume: 120 Issue: 17 Pages: 173102-173102

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    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Vを用いたBi2Se3の磁気拡張の試みと電子状態測定2022

    • Author(s)
      石原和宜, 福嶋隆司朗, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
    • Organizer
      2022年日本物理学会秋季大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンに過剰なCaが誘起する自由電子バンド2022

    • Author(s)
      徳田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
    • Organizer
      2022年日本物理学会秋季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] SrTiO3基板上の単層FeSeの臨界電流による超伝導ギャップの推定2022

    • Author(s)
      出高志朗, 田中友晃, 一ノ倉聖, 平原徹
    • Organizer
      2022年日本物理学会秋季大会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene2022

    • Author(s)
      S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, T. Hirahara
    • Organizer
      IVC-22
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Theoretical Calculation of Magnetic Structures of V5Se8 Thin Films2022

    • Author(s)
      K. Kobayashi, K. Sumida, T. Hirahara
    • Organizer
      IVC-22
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 - √13 ×√132022

    • Author(s)
      Si Wen, Tomoaki Tanaka, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
    • Organizer
      日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンに過剰な Ca が誘起する自由電子バンド2022

    • Author(s)
      徳田啓, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
    • Organizer
      日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] V を用いた Bi2Se3の磁気拡張の試みと電子状態測定2022

    • Author(s)
      石原和宜, 福嶋隆司朗, 田中清尚, 平原徹
    • Organizer
      日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 平原研究室ホームページ

    • URL

      https://www.hiraharalab-phys-titech.com/

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      2023 Research-status Report

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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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