Microscopic study of quantum phase transition on atomic-layer superconductors
| Project/Area Number |
22KJ0920
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| Project/Area Number (Other) |
22J13902 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
佐藤 優大 東京大学, 物性研究所, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 二次元超伝導 / 原子層超伝導 / 渦糸 / 超伝導絶縁体転移 / 量子相転移 / 走査トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / 表面電気伝導 |
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| Outline of Research at the Start |
二次元超伝導体では、乱れ導入・磁場印加によって、絶対零度において超伝導絶縁体転移が生じる。乱れの少ない理想的な二次元超伝導体では、相転移の過程で異常金属相と呼ばれる特異な量子相が出現するが、その統一的な理解は未だなされていない。
本研究は、超伝導の微視的評価の強力な手法である走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて、量子相転移の微視的解明を目指す。試料には、原子スケールで高結晶度の半導体基板上の表面原子層薄膜を用いる。この薄膜は、STMで測定可能かつ、基板の形状を反映したステップが乱れとして機能し、基板の傾斜角を制御することで、容易にステップ密度すなわち乱れの大きさを制御可能である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、二次元超伝導体の磁場・乱れ誘起量子相転移の微視的観察のために、金属表面原子層超伝導体の超伝導特性をヘリウム3冷却超高真空走査トンネル顕微鏡（STM）測定により評価して、マクロ測定である表面電気伝導測定の結果との対応付けを行った。この系は、表面に形成されるステップが超伝導に対して乱れとして作用するので、基板の切り出し角を変えることで、ステップ密度すなわち乱れを系統的に制御できる。
STM測定では測定温度0.36 Kにおいて、磁場を変えながら超伝導ギャップの空間分布図を取得して、渦糸分布やギャップ構造の磁場依存性について評価して、表面電気伝導測定との比較を行った。二次元超伝導体において、磁場誘起超伝導絶縁体転移間でしばしば観測される異常金属相が本研究の電気伝導測定でも観測された。異常金属相は量子ゆらぎによる渦糸の運動に起因すると考えられているがその詳細な起源は明らかになっていない。異常金属相におけるSTM観察では、個々の渦糸が観測された。今回の研究から、異常金属相は、平衡位置に弱く留まる渦糸が、無限小の印加電流によって渦糸の運動が誘起されたものと考えている。さらに、異常金属状態が現れる磁場より高磁場で、融解相や擬ギャップ状態を観測し、ステップ密度の違いによって、その振る舞いが大きく異なることを明らかにした。
同時に、ヘリウム3冷却STM において、STM測定と電気伝導測定を同一装置・試料で行うために、必要となる試料ホルダー・装置の改良について業者とやり取りを行った。現在、納品を終えて、装置の改良を始める段階に至っている。改良後の装置では、同一試料に対して電気伝導測定・STM測定を行うことが可能になる他、面内電流を流しながらSTM測定を行うことも可能であるため、異常金属相と無限小印加電流の関係について評価するためにも重要であると考えている。
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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
表面原子層超伝導体のSTM測定と表面電気伝導測定との対応付けから、二次元超伝導体の量子相転移について微視的観点からの理解は順調に進んでいる。同一装置内、同一試料に対するSTM測定と表面電気伝導測定のための装置改良も開始できる段階にある。今後、装置改良が完了すれば、これまでの研究による知見のある表面原子層超伝導体に対して測定を行うことができることから、順調に研究計画は進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
同一装置内、同一試料に対してSTM測定と表面電気伝導測定が可能な装置改良の後、ステップ密度の異なる様々な表面原子層超伝導体に対して、磁場下の測定を行い、二次元超伝導体に現れる多彩な相について微視的観点からその起源を明らかにする。改良後の装置では、面内電流を流しながらSTM測定を行うことも可能であるため、異常金属相と無限小印加電流の関係について評価する。一方で、高磁場側で現れる擬ギャップ状態について、その起源は乱れ誘起の超伝導位相コヒーレンスの消失による局在したクーパー対由来であると考えている。擬ギャップ中のクーパー対を検出する手法として、走査トンネルノイズ分光法(STNS)が挙げられることから、STNS測定による擬ギャップ状態の詳細な測定も検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
