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Unique superconducting state in transition metal chalcogenide atomic layer thin films

Research Project

Project/Area Number 23K13067
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 InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

成塚 政裕  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (20960173)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 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 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords超伝導 / 原子層薄膜 / ツイストロニクス / 走査型トンネル顕微鏡 / 分子線エピタキシー法 / 走査トンネル顕微鏡
Outline of Research at the Start

原子層への薄膜化や異種物質との接合によって従来型超伝導の枠組みを超えた振る舞いを示す超伝導物質が報告され始めている。本研究では、遷移金属カルコゲナイドの原子層薄膜を対象に、極低温走査トンネル顕微鏡により超伝導状態や関連する極低エネルギーの電子状態を調べる。分子線エピタキシー法を用いた精密な原子層数や積層の制御、磁性体薄膜とのヘテロ積層の創出により、回転対称性や並進対称性の低下した新奇な超伝導状態発現のメカニズムを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、遷移金属カルコゲナイドの原子層薄膜を対象に、分子線エピタキシー法を用いた精密な原子層数や積層の制御、磁性体薄膜とのヘテロ積層の創出を行い、回転対称性や並進対称性の低下した新奇な超伝導状態を極低温走査トンネル顕微鏡により明らかにすることを目的とする。研究初年度の本年度は、グラフェン薄膜基板上にイジング超伝導体であるNbSe2単層膜を成長させた場合に、自然に導入される積層のひねりが超伝導に与える影響の解明に注力した。これまでのところ、ひねり角度が24度、28度、0度の積層試料が得られており、ひねり角度に応じて超伝導ギャップサイズが異なること、また超伝導ギャップ内に残留状態密度があることが明らかになった。この残留状態密度を詳しく調べるために超伝導ギャップ内のエネルギーで準粒子干渉効果パターンの測定を行なったところ、NbSe2の結晶構造のみからでは説明のつかないカイラルなパターンが見られた。このパターンは波数空間でグラフェンとNbSe2のフェルミ面が交差する点において、NbSe2の超伝導が抑制されるというモデルでよく説明できることがわかった。この結果は、NbSe2とグラフェンの組み合わせに留まらず、マジックアングルグラフェンを始めとする2次元ひねり積層系における超伝導の理解や制御に大きな波及効果が期待できる結果である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究開始当初に計画していたNbSe2のひねり積層における超伝導状態の研究は、ひねり角度が有限な試料とゼロ度の試料ともにSTMによる測定が行え、異なるひねり角度によって超伝導ギャップサイズや超伝導ギャップ内の残留状態の有無、さらには残留状態の作る準粒子干渉パターンの観察に成功した。この準粒子干渉パターンは波数空間でグラフェンとNbSe2のフェルミ面が交差する点において、NbSe2の超伝導が抑制されるというモデルでよく説明できることがわかった。このような、ひねりによる超伝導性の制御という結果は、当初の期待以上の成果である。
一方でNbSe2薄膜で期待される面内磁場下の対称性の低下した超伝導状態を探索する目的でグラフェン基板上のNbSe2単層膜に対し、面内方向に磁場を印加して測定を行ったところ現在実験可能な2Tまでの磁場強度では超伝導ギャップサイズに変化が現れず、NbSe2のイジング超伝導性を確認する結果となった。今後は他の遷移金属ダイカルゴゲナイド超伝導体に探索対象を広げたい。

Strategy for Future Research Activity

高磁場下で期待される量子液晶状態の探索を行う。液晶にはネマティック相のみならず回転対称性と並進対称性の破れた超伝導状態があることがよく知られている。超伝導体においてもそのような対称性に分類される量子液晶状態の存在が理論的に指摘されており、候補物質として遷移金属カルコゲナイドの硫黄化ニオブ(NbS2)に注目する。今年度までに作成に成功しているグラフェン基板上のNbSe2薄膜に対し、成膜後にトポタクティック反応を利用することでNbS2の原子層薄膜を得ることを計画している。硫黄加熱用のセルは既に入手しており、トポタクティック反応用真空チャンバーを設計中である。今年度は、NbS2の薄膜作製とSTM測定を行い、NbSe2薄膜とどのような違いが現れるかを調べる。また極低温高磁場下での測定を行い、実空間で超伝導ギャップが周期的に振動する振る舞いの観測を試みることを計画している。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023

All Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] Twisted Bogoliubov quasiparticles in the chiral stack of superconducting 1H-NbSe2 monolayer on graphene2024

    • Author(s)
      M. Naritsuka, T. Machida, T. Hanaguri
    • Organizer
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chiral Bogoliubov quasiparticle interference in twisted NbSe2 graphene heterostructure2024

    • Author(s)
      M. Naritsuka, T. Machida, T. Hanaguri
    • Organizer
      APS March Meeting 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Superconductivity in the monolayer NbSe2 twisted on graphene2023

    • Author(s)
      M. Naritsuka, T. Machida, T. Hanaguri
    • Organizer
      International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chiral quasiparticle interferences in the monolayer NbSe2 on graphene2023

    • Author(s)
      M. Naritsuka, T. Machida, T. Hanaguri
    • Organizer
      3rd IBS Conference on Surface Atomic Wires and 2nd IBS-RIKEN STM Workshop
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] グラフェン上の単層超伝導体NbSe2におけるモアレ電子構造2023

    • Author(s)
      成塚政裕、町田理、花栗哲郎
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] グラフェン上にひねり積層した単層NbSe2におけるキラル結晶超伝導2023

    • Author(s)
      成塚政裕
    • Organizer
      第11回QLC若手コロキウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 単層超伝導体1H-NbSe2 とグラフェンのカイラル積層における捻られたボゴリューボフ準粒子2023

    • Author(s)
      成塚政裕
    • Organizer
      研究会「超伝導研究の発展と広がり」
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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