Development of monolayer topological insulators and exploration of concert effects in superconductive interfaces

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 16H00983
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 秋山 了太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2016: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: トポロジカル超伝導 / トポロジカル絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 量子異常ホール効果 / 薄膜 / 偏極中性子反射率法 / 角度分解光電子分光法 / スピン注入 / マヨラナ粒子 / 超伝導 / 2次元系 / 原子層物質 / トポロジカル結晶絶縁体 / 弱反局在効果 / 狭ギャップ半導体 / バンドエンジニアリング / MBE / シュブニコフドハース振動 / 二次元系

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではトポロジカル（結晶）絶縁体を物質として用い、その性質解明、およびそれを用いた新しい系における現象の観測に力点をおいた。具体的に得られた研究実績は以下の通りである。
１．SnTe/Bi界面においてトポロジカル超伝導である可能性がある二次元超伝導の実現　ミスフィット転位によってSnTeとBiの界面に超伝導を誘起し、トポロジカル超伝導候補物質を発見した。２．√3×√3-Bi上における平坦SnTe薄膜の作製　絶縁体であるSi(111)√上の3×√3-Bi上にSnTeを成長したところ、RMS~0.36nmという原子ステップに近い非常に平坦な膜が作製できた。３．トポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTe(111)薄膜における表面状態の観測。　Pb1-xSnxTe:SbにおいてARPESで入射光子エネルギーに依存しない２次元バンドを観測した。また、PbTeにおいては初めて大きな2次元Rashba分裂バンドを観測した。４．トポロジカル絶縁体と強磁性体MnTeのヘテロ接合の作製とその評価　トポロジカル絶縁体(BixSb1-x)2Te3と強磁性体のMnTeのヘテロ接合を作製した。磁化測定によって試料は室温以上の強磁性転移温度を持つことが分かり、低温では異常ホール効果も観測され、量子異常ホール効果に対して有望な系であることが分かった。５．Fe/SnTeに対するスピンポンピング法によるスピン注入　SnTeとFeのヘテロ構造に対してマイクロ波を照射し、Fe層で磁化が歳差運動し、スピン流が誘起されてSnTe層へと注入されたことが実証された。６．Fe/SnTeにおける偏極中性子反射法による強磁性proximity効果の検証　偏極中性子反射率法によってFeの強磁性のSnTeへのproximity効果について測定を行った。結果、SnTe表面から深さ3nm程度まで強磁性秩序が生じていることが分かった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Inst. of Str. Phys. and Mat. Sci./Tomsk State University/Saint Petersburg State University(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] Dep. de Fisica de Materiales UPV/EHU/DIPC(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Novosibirsk State University/V.S. Sobolev Inst. of Geo. and Mine./A.V. Rzhanov Inst. of Semicon. Phys.(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] ノヴォシヴビルスク州立大学/サンクトペテルブルク州立大学/ソボレフ地質学・鉱物学研究所(ロシア連邦)
• [Journal Article] Observation of the inverse spin Hall effect in the topological crystalline insulator SnTe using spin pumping (2017)
  • Author(s): Shinobu Ohya, Akiyori Yamamoto, Tomonari Yamaguchi, Ryo Ishikawa, Ryota Akiyama, Le Duc Anh, Shobhit Goel, Yuki K. Wakabayashi, Shinji Kuroda, Masaaki Tanaka
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 9 Pages: 094424-094424
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.094424
  • NAID: 120007134820
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • Author(s): T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, E. V. Chulkov
  • Journal Title: NANO Letters Volume: 17 Issue: 6 Pages: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Berry phase shift from 2π to π in bilayer graphene by Li-intercalation and sequential desorption (2017)
  • Author(s): R. Akiyama, Y. Takano, Y. Endo, S. Ichinokura, R. Nakanishi, K. Nomura, S. Hasegawa
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 110 Issue: 23 Pages: 233106-233106
  • DOI: 10.1063/1.4984958
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Berry phase shift from 2π to π in Bilayer graphene by Li-intercalation and sequential desorption (2017)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Yuma Takano, Yukihiro Endo, Satoru Ichinokura, Ryosuke Nakanishi, Kentaro Nomura, and Shuji Hasegawa
  • Journal Title: arXiv Volume: 1701.0393
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Shubnikov-de Haas oscillations in p and n-type topological insulator (BixSb1－x)2Te3 (2017)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shuji Hasegawa
  • Journal Title: arXiv Volume: 1701.00137
  • Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Origin of the large positive magnetoresistance of Ge1－xMnx granular thin films (2017)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, R. Akiyama, Y. Takeda, M. Horio, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Ban, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 1 Pages: 144171-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.014417
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thin film growth of a topological crystal insulator SnTe on the CdTe (111) surface by molecular beam epitaxy (2016)
  • Author(s): Ryo Ishikawa, Tomonari Yamaguchi, Yusuke Ohtaki, Ryota Akiyama, Shinji Kuroda
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 453 Pages: 124-129
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.027
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Sbドープトポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTe(111)薄膜における2次元バンドの観測 (2018)
  • Author(s): 秋山了太, 大滝祐輔, 伊藤寛史, 中西亮介, 宮内恵太, Eike Schwier, 木村昭夫, 島田賢也, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 黒田眞司, 長谷川修司
  • Organizer: 2018年春季日本物理学会
• [Presentation] Photoinduced Inverse Spin Hall effect on Bi2Se3 thin film (2018)
  • Author(s): Di Fan, Rei Hobara, Ryota Akiyama, Akari Takayama, Shuji Hasegawa
  • Organizer: 2018年春季日本物理学会
• [Presentation] トポロジカル(結晶)絶縁体/強磁性体ヘテロ構造における磁性 (2018)
  • Author(s): 秋山 了太
  • Organizer: 平成２９年度薄膜・界面研究会
  • Invited
• [Presentation] 独立 4 探針STM を用いた水素終端SrTiO3表面の輸送特性の in situ 評価 (2017)
  • Author(s): 武内康範, 秋山了太, 保原麗, 高山あかり, 一ノ倉聖, 湯川龍, 松田巌, 長谷川修司
  • Organizer: 日本表面科学会 第2回関東支部講演大会
• [Presentation] Ge 基板上 Tl, Pb 合金系表面超構造における超伝導の観測 (2017)
  • Author(s): 中村友謙,一ノ倉聖,高山あかり,秋山了太, ZotovA. V.,SaraninA. A.,長谷川修司
  • Organizer: 真空・表面科学合同講演会
• [Presentation] Ge(111)-√3×√3-(Tl, Pb)における超伝導転移の in situ 4端子測定 (2017)
  • Author(s): 中村友謙, 一ノ倉聖, 高山あかり, 秋山了太, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川修司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] MBE法により成長したIV-VI族希薄磁性半導体(Sn,Mn)Teの構造と磁性の評価 (2017)
  • Author(s): 石川諒, 伊藤寛史, 秋山了太, 仁谷浩明, 黒田眞司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] トポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜のPbTe表面へのMBE成長および電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 伊藤寛史, 大滝祐輔, 石川諒, 秋山了太, 黒田眞司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] Tlドープトポロジカル結晶絶縁体SnTeの構造・電気伝導特性 (2017)
  • Author(s): 秋山了太, 渡辺和己, 中西亮介, 宮内恵太, 長谷川修司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] 微傾斜Si(111)-√3×√3-Bi上でのトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜の成長とその構造・伝導評価 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 鎮西弘毅, 福居直哉, 豊田良順, 西原寛, 長谷川修司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] 水素終端したSrTiO3表面の2次元伝導層の輸送特性 (2017)
  • Author(s): 武内康範, 秋山了太, 保原麗, 高山あかり, 一ノ倉聖, 湯川龍, 松田巌, 長谷川修司
  • Organizer: 2017年秋季日本物理学会
• [Presentation] SrTiO3(001)上への FeSe 薄膜の成長と in situ 電気伝導評価 (2017)
  • Author(s): 武内 康範、保原麗、秋山了太、高山あかり、一ノ倉聖、湯川龍、松田巌、長谷川修司
  • Organizer: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
• [Presentation] Au(111)上への青リンのエピタキシャル成長とその評価 (2017)
  • Author(s): 宮内 恵太、秋山了太、中西亮介、遠藤裕大、長谷川修司
  • Organizer: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
• [Presentation] Bi(111)/Si(111)テンプレート上におけるトポロジカル結晶絶縁体 SnTe 薄膜の成長とその評価 (2017)
  • Author(s): 中西 亮介、秋山了太、長谷川修司
  • Organizer: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
  • Invited
• [Presentation] Heterostructure of a topological insulator/magnetic insulator ultrathin film (2017)
  • Author(s): Y. Okuyama, S.V. Eremeeev, R. Nakanishi, R. Akiyama, T. Shirasawa, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ideta, K. Tanaka, E.V. Chulkov, S. Hasegawa and T. Hirahara
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Weak localization in bilayer graphene with Li-intercalation/desorption (2017)
  • Author(s): Y. Endo, S. Ichinokura, R. Akiyama, A. Takayama, K. Sugawara, T. Takahashi, K. Nomura and S. Hasegawa
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of helicity-dependent photocurrent in strong spin-orbit coupling materials (2017)
  • Author(s): D. Fan, R. Hobara, R. Akiyama, A. Takayama and S. Hasegawa
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-dimensional conducting layer on SrTiO3 surface induced by hydrogenation (2017)
  • Author(s): Y. Takeuchi, R. Akiyama, R. Hobara, A. Takayama, S. Ichinokura, R. Yukawa, I. Matsuda and S. Hasegawa
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the surface Dirac cone in Sb-doped PbxSn1-xTe(111) thin films (2017)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Tomonari Yamaguchi, Yusuke Otaki, Ryo Ishikawa, Ryosuke Nakanishi, Di Fan, Hitoshi Sato, Kenichi Shimada, Eike F. Schwier, Koji Miyamoto, Akio Kimura, Shuji Hasegawa, and Shinji Kuroda
  • Organizer: New Trends in Topological Insulators 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si(111)-√3×√3-Bi上に成長したトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜へのLiドーピング効果 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 鎮西弘毅, 長谷川修司
  • Organizer: 2017年春季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合II：磁化特性 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 奥山裕磨, 高木康多, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 横山利彦, 長谷川修司, 平原徹
  • Organizer: 2017年春季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
• [Presentation] Fabrication and evaluation of high-quality PbxSn1-xTe thin films (2016)
  • Author(s): 秋山 了太、中西 亮介、ファン ディ、山口 智也、大滝 祐輔、石川 諒、黒田 眞司、木村 昭夫、佐藤 仁、長谷川 修司
  • Organizer: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-16
  • Invited
• [Presentation] Effects of Li-doping into topological crystalline insulator SnTe thin films on Si(111)-√3×√3-Bi (2016)
  • Author(s): 中西 亮介、秋山 了太、鎮西 弘毅、長谷川 修司
  • Organizer: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-16
  • Invited
• [Presentation] トポロジカル結晶絶縁体(Pb,Sn)Te薄膜のキャリア密度制御および表面状態観察 (2016)
  • Author(s): 大滝祐輔, 山口智也, 石川諒, 黒田眞司, 中西亮介, D. Fan, 秋山了太, 長谷川修司, 宮本幸治, 佐藤仁, 木村昭夫
  • Organizer: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-16
  • Invited
• [Presentation] Observation of the Shubnikov-de Haas oscillation in topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 flakes (2016)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko and Shuji Hasegawa
  • Organizer: IVC-20
  • Place of Presentation: 釜山（韓国）
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical resistance across atomic steps on topological insulator Pb-doped Bi2Te3 surface (2016)
  • Author(s): Naoya Fukui, Rei Hobara, Akari Takayama, Ryota Akiyama, Shuji Hasegawa
  • Organizer: IVC-20
  • Place of Presentation: 釜山（韓国）
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport properties of bilayer graphene studied by in situ four-point probe resistance measurements (2016)
  • Author(s): Yukihiro Endo, Ichinokura Satoru, Katsuaki Suzuki, Katsuaki Sugawara, Ryota Akiyama, Akari Takayama, Takashi Takahashi, Syuji Hasegawa
  • Organizer: IVC-20
  • Place of Presentation: 釜山（韓国）
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Helicity-dependent photovoltaic effect on Bi and Bi/Ag thin films (2016)
  • Author(s): Di Fan, Hirotaka Ishihara, Ryota Akiyama, Rei Hobara, Akari Takayama, Shuji Hasegawa
  • Organizer: IVC-20
  • Place of Presentation: 釜山（韓国）
  • Year and Date: 2016-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Spin-splitting Surface States in Bi and Bi/Ag Thin Films by Photogalvanic Effect (2016)
  • Author(s): R. Akiyama, H. Ishihara, D. Fan, R. Hobara, A. Takayama, and S. Hasegawa
  • Organizer: PASPS-9
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Origin of the large positive magnetoresistance in Ge1-xMnx granular films (2016)
  • Author(s): Yuki K. Wakabayashi, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Masafumi Horio, Goro Shibata, Shoya Sakamoto, Yoshisuke Ban, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
  • Organizer: PASPS-9
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic properties of (Sn,Mn)Te thin films grown by molecular beam epitaxy (2016)
  • Author(s): R. Ishikawa, R. Sakurai, T. Yamaguchi, R. Akiyama, S. Kuroda, A. Kimura, Y. Takeda, Y. Saitoh
  • Organizer: PASPS-9
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shubnikov-de Haas oscillations in n and p-type topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 flakes (2016)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, and Shuji Hasegawa
  • Organizer: Joint Conference of New Trends in Topological Insulators (NTTI 2016) and 17th International Conference on Narrow Gap Systems (NGS 17)
  • Place of Presentation: ヴュルツブルク（ドイツ）
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thin films of a topological crystalline insulator SnTe grown by molecular beam epitaxy (2016)
  • Author(s): R. Ishikawa, R. Akiyama, and S. Kuroda
  • Organizer: Joint Conference of New Trends in Topological Insulators (NTTI 2016) and 17th International Conference on Narrow Gap Systems (NGS 17)
  • Place of Presentation: ヴュルツブルク（ドイツ）
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties of topological insulators probed by a magnetic field (2016)
  • Author(s): 秋山了太
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会「強磁場コラボラトリー、国際協力と強磁場科学」
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所（千葉県柏市）
  • Year and Date: 2016-06-23
  • Invited
• [Presentation] トポロジカル（結晶）絶縁体における電気伝導特性 (2016)
  • Author(s): 秋山了太
  • Organizer: 第1回TIA連携プログラム「強磁場計測とデータ解析技術の融合によるエネルギーデバイス材料評価システムの確立に向けた基礎調査研究」オープンセミナー
  • Place of Presentation: 物質材料研究機構（茨城県つくば市）
  • Invited
• [Presentation] Si(111)√3×√3-Bi上におけるトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜の成長とその評価 (2016)
  • Author(s): 秋山了太, 中西亮介, 遠藤由大, 一ノ倉聖, 長谷川修司
  • Organizer: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
• [Presentation] 純スピン流生成プローブの開発 (2016)
  • Author(s): 保原麗, 秋山了太, 長谷川修司
  • Organizer: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
• [Presentation] 分子線エピタキシー法による(Pb,Sn,Cr)Te薄膜の作製と磁性の評価 (2016)
  • Author(s): 石川諒, 山口智也, 大滝祐輔, 秋山了太, 黒田眞司
  • Organizer: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
• [Presentation] トポロジカル結晶絶縁体(Pb,Sn)Te薄膜の角度分解光電子分光による表面状態観察 (2016)
  • Author(s): 山口智也, 大滝祐輔, 石川諒, 黒田眞司, D. Fan, 秋山了太, 長谷川修司, 宮本幸治, 佐藤仁, 木村昭夫
  • Organizer: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/top_j.html
• [Remarks] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/rakiyama/
• [Remarks] Research gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Ryota_Akiyama
• [Remarks] Researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/rakiyama/
• [Remarks] Researchgate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Ryota_Akiyama
• [Remarks] 長谷川研究室
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/