鉄カルコゲナイド超伝導体とその関連物質におけるトポロジカル相の探索

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 18H04212
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鍋島 冬樹 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (30782776)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 鉄カルコゲナイド超伝導体 / トポロジカル超伝導 / 薄膜 / 電界効果 / インターカレーション / 鉄系超伝導体 / 単結晶薄膜

Outline of Annual Research Achievements

電子ドープFeSeにおいてトポロジカル超伝導が実現しているかを検証するために，SrTiO3(STO)バイクリスタル基板上に鉄カルコゲナイド超伝導体FeSe薄膜を積んで，粒界接合型のジョセフソン接合を作製し，更にそれを用いて電気二重層トランジスタを作製することで，電子ドープしたFeSe薄膜のジョセフソン効果を調べた．まず，LaAlO3基板上のFeSe薄膜を用いて電気二重層トランジスタの動作確認を行ったところ，FeSeに電子注入は可能であるが，これは電界効果ではなく，電気化学反応（例えばイオンのインターカレーションなど）によって実現していることがわかった．FeSe薄膜は大気暴露すると表面に酸化層が生じるため，それを除くために電気化学エッチングを行う必要があるが，この工程でエッチング以外の電気化学反応が起きていると考えられる．これは当初の予想とは違うものの，電子ドープは実現していること，かなり高い温度でゼロ抵抗が観測されること（Tczero=46K）から，この物質のジョセフソン効果を調べることにした．STOバイクリスタル基板上の試料でも同様に電子ドープを行い，高いTcが実現できたので，マイクロ波を入射しながら電流電圧特性を測定した．マイクロ波を入射すると電流電圧特性が変化し，2段ほどのステップ構造が観測された．この電圧のステップ幅は通常のジョセフソン接合で予想される幅のおよそ2倍であった．電圧のステップ幅が2倍になる振る舞いはトポロジカル超伝導で予想されるものであり，電子ドープFeSeにおいてトポロジカル超伝導が実現していることを示唆している．その他の要因により2倍のステップ幅が観測された可能性を今後詳しく検証する必要がある．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Correlation between superconducting transition temperatures and carrier densities in Te- and S-substituted FeSe thin films (2020)
  • Author(s): Fuyuki Nabeshima, Tomoya Ishikawa, Naoki Shikama, Atsutaka Maeda
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.184517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transport properties of FeSe1-xSx and FeSe1-yTey epitaxial thin films under magnetic fields (2019)
  • Author(s): N. Shikama, T. Ishikawa, F. Nabeshima, A. Maeda
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1293 Issue: 1 Pages: 012015-012015
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1293/1/012015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Systematic study on transport properties of FeSe thin films with various degrees of strain (2018)
  • Author(s): Fuyuki Nabeshima, Masataka Kawai, Tomoya Ishikawa, Naoki Shikama, Atsutaka Maeda
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 12 Pages: 120314-120314
  • DOI: 10.7567/jjap.57.120314
  • NAID: 210000149841
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 鉄カルコゲナイド薄膜における超伝導 (2018)
  • Author(s): 今井良宗，鍋島冬樹，前田京剛
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 87 Pages: 926-930
  • NAID: 130007715672
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Comparison between Te- and S-Substitution Effects on Superconductivity in FeSe Thin Films (2019)
  • Author(s): Fuyuki Nabeshima
  • Organizer: Research Frontier of Advanced Spectroscopies for Correlated Electron Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comparison of Te and S substitution in FeSe thin films (2019)
  • Author(s): F. Nabeshima, T. Ishikawa, N. Shikama, S. Nakamura, H. Kurokawa and A. Maeda
  • Organizer: Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄カルコゲナイド超伝導薄膜の超伝導特性とその組成依存性 (2019)
  • Author(s): 鍋島冬樹
  • Organizer: 高温超伝導フォーラム第７回会合
• [Presentation] 同族元素置換したFeSeの電気二重層トランジスタ (2019)
  • Author(s): 色摩直樹, 崎下雄稀, 鍋島冬樹, 前田京剛
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] Transport properties of electron-doped FeSe1-xSx and FeSe1-yTey films with electric double layer transistor (2019)
  • Author(s): Naoki Shikama, Yuuki Sakishita, Fuyuki Nabeshima, Atustaka Maeda
  • Organizer: The 32nd International Symposium on Superconducticity
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄カルコゲナイド超伝導体 FeSe の磁気輸送特性 ―Te 置換と S 置換の比較― (2019)
  • Author(s): 鍋島冬樹，石川智也，色摩直樹，前田京剛
  • Organizer: 第66回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 電気輸送特性から見たFeSe薄膜の超伝導:S置換とT e置換の比較 (2018)
  • Author(s): 鍋島冬樹，石川智也，色摩直樹，前田京剛
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Chemical pressure effects in iron chalcogenide superconductor FeSe (2018)
  • Author(s): Fuyuki Nabeshima
  • Organizer: The 31st International Symposium on Superconductivity (ISS2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 鉄カルコゲナイド超伝導体FeSeの 等原子価置換効果 (2018)
  • Author(s): 鍋島冬樹，石川智也，色摩直樹，小柳憲一， 川合将敬，前田京剛
  • Organizer: 高温超伝導フォーラム第6回会合