| Project/Area Number |
23K25831
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| Project/Area Number (Other) |
23H01134 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
町田 理 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, 上級研究員 (60570695)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
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| Keywords | トポロジカル超伝導 / マヨラナフェルミオン / 走査型トンネル顕微鏡 / イジング超伝導 / マヨラナ準粒子 / 走査トンネル顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
トポロジカル超伝導体のエッジに現れるマヨラナ準粒子制御法の確立は，情報化社会の革新的技術と期待されるトポロジカル量子計算実現の核心をなす課題である．本研究では，磁場によるマヨラナ準粒子制御を見据え，面内磁場に強固なイジング超伝導体単層NbSe2上の一次元磁性原子鎖における超伝導トポロジーとその面内磁場強度・角度依存性を走査型トンネル顕微鏡(STM)によって詳細に調べる．これにより，磁場強度・角度を制御パラメータとした超伝導トポロジカル相図を確立する．最終的には，得られた結果を基に，この系のトポロジカル超伝導発現の現象論的学理を構築し，磁場によるマヨラナ準粒子制御への新たな道筋を開拓する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，単層イジング超伝導体NbSe2上に磁性原子鎖を作成し，原子鎖上に誘起される超伝導トポロジーの面内外部磁場依存性を走査型トンネル顕微鏡（STM）により明らかにすることを目的としている．研究初年度の本年度は，本研究の基盤となるイジング超伝導体-単層NbSe2の作成とその超伝導特性の評価に注力した．単層NbSe2はSiC基板上の二層グラフェン表面に分子線エピタキシー法(MBE)により作成した．MBEチャンバからSTMチャンバへと超高真空を破ることなく試料を搬送するシステムも構築し，作成したNbSe2単層膜の超低温走査トンネル分光を行った. その結果，グラフェン表面に単層NbSe2アイランドが確認でき，200~350 μeVの超伝導ギャップも確認された．観察された超伝導ギャップが面内磁場2Tでも変化しないことから，単層NbSe2で期待されるイジング超伝導が実現していることが確認された．また超伝導ギャップの内部に僅かではあるが状態密度が残留していることも明らかとなった．この残留状態密度の起源を探るべく準粒子干渉パターンの測定を超伝導ギャップ内のエネルギーで行い，残留状態密度が NbSe2とグラフェンとのツイスト角に敏感に依存し，グラフェンのフェルミ面とNbSe2のフェルミ面が交差する波数で超伝導ギャップが消失していることが新た解った．この結果は，本研究目的遂行にあたり，グラフェンとのツイスト角の影響が無視できない事を示しているのみならず，ツイストグラフェンなどの二次元ツイスト系における超伝導の理解や制御に大きな波及効果をもたらす.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究当初の計画では，本年度は次の事項を行う予定であった．(1)単層NbSe2の作成条件の確立，(2)単層NbSe2の超伝導特性の超低温走査トンネル分光による評価，(3) NbSe2表面の単一磁性原子によるYu-Shiba-Rusinov状態の観察，(4)NbSe2表面への磁性原子鎖作成条件の確立. (1)の単層NbSe2の作成条件の確立については，SiC上の二層グラフェン表面に分子線エピタキシー法により単層NbSe2の作成に成功し，その作成条件を定量的に確立することができた．(2)の単層NbSe2の超伝導特性の評価については，超低温走査トンネル分光によりNbSe2で期待される面内磁場に強固な超伝導ギャップを確認した. 一方で，研究当初予想していなかった，超伝導ギャップ内部の残留状態密度も観察された．これは本年度研究事項(3)の, 磁性原子によるYSR状態や磁性原子鎖のYSRバンド形成に影響を及ぼすことが懸念される．このため，YSR状態やYSRバンド観測実験の前に，観察された残留状態密度の起源を探る必要が発生し，様々な条件で準粒子干渉パターン測定に時間を割いた．具体的には，様々なツイスト角でそれぞれ数週間にわたる準粒子干渉測定を行ない,残留状態密度がグラフェン基板とのツイスト角に依存していることが新たに解った．本年度中に，残留状態密度が無いNbSe2単層膜を得ることができなかったため，研究事項(3),(4)を行うことができなかった．このように，当初予定していなかった新奇現象が発見され、その起源解明のためエフォートを割いたため当初の研究計画よりやや遅れているのが現状である.
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，二層グラフェン上の単層NbSe2における超伝導ギャップ内の残留状態密度のため磁性原子及び原子鎖におけるYSR状態やYSRバンド形成の観測実験を行うことができなかった．この残留状態密度の要因の一つとしてグラフェンのフェルミ面とNbSe2のフェルミ面の重なりが重要な役割を果たし，残留状態密度がグラフェンとのツイスト角で制御可能であることが新たに解ったものの，ツイスト角を制御する方法はまだ確立できていない．このため，次年度研究の第一段階として，最も残留状態密度が抑制される0°積層を意として作成する方法を模索する．また，残留状態密度に加え膜質や基板からの歪に起因すると考えられる超伝導ギャップのブロードニングも見られているため，膜質改善に向けたより細かな薄膜作成条件の検証やNbSe2単層膜の歪を軽減できる基板としてボロンナイトライド等のグラフェン以外の基板の使用も検討する予定である. 超伝導ギャップ内に準粒子励起がほとんどない良質な単層膜が得られたのち磁性原子蒸着条件，磁性原子操作条件を確立し，単一磁性原子におけるYSR状態の吸着サイト依存性，磁性原子鎖のYSRバンド形成とマヨラナゼロモードの有無の検証実験へと移行する. YSRバンド形成については，磁性原子鎖のNbSe2結晶軸に対する成長方向や磁性原子間隔といった制御パラメータ依存性を詳細に調べ，超伝導トポロジーの相図の作成を目指す．次年度の研究期間に時間的余裕がある場合には，最終年度に予定しているYSRバンドとマヨラナゼロモードの面内磁場依存性の実験を行う予定である.
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