Visualization of pair density waves in field-tolerant superconducting states with an ultra-low-temperature and in-plane high magnetic field STM

• Project/Area Number: 23K26541
• Project/Area Number (Other): 23H01848 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 吉田 靖雄 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (10589790)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 島村 一利 金沢大学, 総合技術部(理工), 技術職員 (80869991)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000); Fiscal Year 2027: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2026: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2023: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
• Keywords: 走査トンネル顕微鏡 / 超伝導 / 超低温 / 強磁場 / 走査型トンネル顕微鏡

Outline of Research at the Start

強磁場中でも生き残るFFLO超伝導状態が指摘されているCeCoIn5の超低温・強磁場領域をSTMを用いて実空間観察することで超伝導ギャップの空 間変調を伴うFFLO状態の実証を目指す。そのために、世界でも例を見ない面内強磁場・超低温STMを完成させて、STM観測を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、面内強磁場・超低温走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、FFLO超伝導の有力候補、重い電子系超伝導体CeCoIn5と原子層超伝導体の測定を行い、物性物理学における未解決問題の一つであるFFLO超伝導の直接観察を目標としている。本研究の応募段階では、共同研究者から提供されるCeCoIn5の結晶を劈開して超低温STMでの測定を行う予定にしていたが、劈開の歩留まりの悪さを考えると、研究室内で結晶を作成する必要があると考えた。より大型の単結晶を育成することで、超高真空中における劈開だけでなく、表面科学的な手法であるアルゴンスパッタ＆アニールなどを用いて表面出しを行うこともできる。そこで、2023年度はCeCoIn5の単結晶育成を開始し、すでに大型の単結晶育成に成功している。また、Ndを20%ドープし、超伝導と反強磁性の共存が期待されるサンプルの作成も成功している。
また、室温部の真空チャンバーから、超低温の希釈冷凍機へのサンプルトランスファーを可能にする試料搬送機構と、試料アニール用のヒーティングステージの設計及び開発を行なった。ほぼ全ての設計は終了し、発注済みの部品の到着を待っている段階である。一部設計が完成していない部分に関しても近日中に終了し、発注を予定している。
懸案事項であった音に対するSTMの脆弱性は除振機構をSTMヘッド内部に仕込むことで軽減するためのテストを室温大気中で行った。テスト試料には室温大気中で測定がしやすいです、Au(111)/micaを大気中でアニールして清浄化し、ステップ構造を出して測定を行った。室温大気中でのテスト後には、超高真空・窒素温度でのテストを同じセットアップで行い、音への脆弱性の大幅な軽減が確認できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初予定していた防音室の設置は、予算の減額等で難しくなったが、その代わりにSTMヘッドに除振機構を導入したことで音への脆弱性を取り除くことができた。一方で、絶縁性の除振材料を導入したことで、試料が到達できる最低温度が上昇した可能性は考えられる。現在、希釈冷凍機のヘリウムガス循環配管にリークが見つかったために、より低温でのテストが完了していない。このような点から、概ね順調に進展しているとした。

Strategy for Future Research Activity

まずは希釈冷凍機の故障の問題を解決し、試料の最低温度を確かめる。もし、最低温度がFFLO相の観察に十分な超低温ではないと判断した場合には、より効率的に試料を冷やす方法を考案し、作成する。
また、制作したチャンバーと試料搬送および試料加熱機構を完成させる。試料加熱機構のテストに関しては、使い慣れたAu(111)/micaもしくはSi(111)の清浄化を行い、

Research Products

• [Journal Article] Field-induced quantum phase in a frustrated zigzag-square lattice (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Hironori、Shimamura Kazutoshi、Yoshida Yasuo、Matsuo Akira、Kindo Koichi、Nakano Kiichi、Morota Satoshi、Hosokoshi Yuko、Kida Takanori、Iwasaki Yoshiki、Shimono Seiya、Araki Koji、Hagiwara Masayuki
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 9 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.l091401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Revealing the Hidden Spin-Polarized Bands in a Superconducting Tl Bilayer Crystal (2023)
  • Author(s): T. Kobayashi、Y. Toichi、K. Yaji、Y. Nakata、Y. Yaoita、M. Iwaoka、M. Koga、Y. Zhang、J. Fujii、S. Ono、Y. Sassa、Y. Yoshida、Y. Hasegawa、F. Komori、S. Shin、S. Ichinokura、R. Akiyama、S. Hasegawai、T. Shishidou、M. Weinert、K. Sakamoto
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Issue: 16 Pages: 7675-7682
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02387
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low-temperature transport properties of manganese thin film epitaxially grown on insulating substrate (2023)
  • Author(s): Akihide Moriyama*, Nona A. Purba, Keishiro Kobayashi, Naoki Denda, Kazutoshi Shimamura, Masashi Ohashi, and Yasuo Yoshida
  • Journal Title: JPS conference proceedings Volume: 38 Pages: 011073-011073
  • DOI: 10.7566/jpscp.38.011073
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Angle-resolved Transport Measurement System in a Magnetic Field Using a Piezo-driven Rotator (2023)
  • Author(s): Takaya Shimokawa*, Kazutoshi Shimamura, Hiroki Wajima, Keishiro Kobayashi, Satoshi Abe, and Yasuo Yoshida*
  • Journal Title: JPS conference proceedings Volume: 38 Pages: 011197-011197
  • DOI: 10.7566/jpscp.38.011197
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Atomic Study of MBE-grown Mn Thin Films on Insulating Substrates (2024)
  • Author(s): Akihide Moriyama, Kazutoshi Shimamura, Nona Avena Purba, Yasuo Yoshida
  • Organizer: JAIST International symposium of Nano-Materials for Novel Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a Cryogenic High Magnetic Field Scanning Tunneling Microscope Integrated with Microwave Irradiation Capability (2024)
  • Author(s): Erlina Tik Man, Hiroki Maekawa, Kazutoshi Shimamura, Yasuo Yoshida
  • Organizer: JAIST International symposium of Nano-Materials for Novel Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhanced superconductivity by intrinsic strain in NbTe2 (2024)
  • Author(s): Takaya Shimokawa, Hayato Makino, Kaito Sato, Kazutoshi Shimamura, Yukiko Obata, Hiroyuki Okamoto, Yasuo Yoshida
  • Organizer: JAIST International symposium of Nano-Materials for Novel Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Scanning Tunneling Microscope Equipped with Spin Resonance Measurement at Low Temperatures in High-Magnetic Fields (2023)
  • Author(s): Erlina Tik Man, Kazutoshi Shimamura, Yasuo Yoshida
  • Organizer: IUMRS-International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Angle-resolved transport measurements in a magnetic field using a two-axis piezo-driven rotator (2023)
  • Author(s): Takaya Shimokawa, Kazutoshi Shimamura, Yasuo Yoshida
  • Organizer: The 9th international symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, EM-NANO 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomistic study of MBE-grown Mn thin films on insulating substrates (2023)
  • Author(s): Akihide Moriyama*, Kazutoshi Shimamura, Nona Avena Purba, Yasuo Yoshida
  • Organizer: The 9th international symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, EM-NANO 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Atomic scale investigation on high entropy cantor alloy FeCrMnNiCo (2023)
  • Author(s): Ervin Naufal Arrasyid, Erlina Tik Man, Hiroki Minowa, Yoji Miyajima, Yasuo Yoshida
  • Organizer: The 9th international symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies, EM-NANO 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Construction of a Low Temperatures and High-Magnetic Fields Scanning Tunneling Microscope with Capability of Microwave Irradiation (2023)
  • Author(s): Erlina Tik Man, Hiroki Maekawa, Takaya Shimokawa, Kazutoshi Shimamura, Yasuo Yoshida
  • Organizer: The IBS Conference on Quantum Nanoscience ICQNS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状超伝導体NbTe2における結晶性の乱れによる超伝導転移温度の上昇 (2023)
  • Author(s): 下川貴也, 牧野隼士, 佐藤魁和, 島村一利, 岡本博之, 吉田靖雄
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] 超伝導と磁性が共存したFeTe1-xSexの低温STM観察 (2023)
  • Author(s): 兼子裕矢, 小畑龍之介, 前川洋輝, 下川貴也, 森山曉栄, Erlina Tik Man, 小畑由紀子, 藤井武則, 渡辺孝夫, 吉田靖雄
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] 絶縁体基板上に蒸着させたMn薄膜の界面観察 (2023)
  • Author(s): 森山曉栄, 島村一利, Nona Avena Purba, 小畑由紀子, 吉田靖雄
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] 2原子層タリウムの隠れたスピン偏極電子バンド (2023)
  • Author(s): 戸市裕一朗, 小林宇宏, 中田慶隆, 岩岡睦生, 八百板裕智, 矢治光一郎, Yasmine Sassa, 藤井純, 吉田靖雄, 長谷川幸雄, 獅子堂達也, Michael Weinert, 坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会