Superconducting properties of monolayer FeSe films grown on SrTiO3 substrates with controlled interfaces

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05183
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 平原 徹 東京工業大学, 理学院, 准教授 (30451818)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 物性実験 / 原子層物質 / 高温超伝導 / 表面界面 / 超伝導

Outline of Research at the Start

SrTiO3上の単層FeSeは超伝導転移温度(Tc)が60-109Kであり、バルクFeSeのTc(8K)よりもはるかに高い。この高い転移温度の起源としてFeSe /STOの界面、特にSTO表面の重要性が示唆されているが、その微視的起源は不明である。研究代表者はこれまで、世界で初めて単層FeSeの超伝導特性がSTO表面調構造に依存し、さらに強相関超伝導体と同様な超伝導ドームの特徴があることを示した。本研究では、これまで行ってきた機能コアとしてのSTO/FeSeの界面、すなわちSTO表面に着目した単層FeSeの高温超伝導の研究を発展させ、より高いTcを持つ条件を探索する

Outline of Annual Research Achievements

SrTiO3(STO)上の単層FeSeは超伝導転移温度(Tc)が60-109Kであり、バルクFeSeのTc(8K)よりもはるかに高い。この高い転移温度の起源としてFeSe /STOの界面、特にSTO 表面の重要性が示唆されているが、その微視的起源は不明である。研究代表者はこれまで、世界で初めて単層FeSeの超伝導特性がSTO表面調構造に依存し、さらに 強相関超伝導体と同様な超伝導ドームの特徴があることを示した。本研究では、これまで行ってきた機能コアとしてのSTO/FeSeの界面、すなわちSTO表面に着目し た単層FeSeの高温超伝導の研究を発展させ、より高いTcを持つ条件を探索する。
本年度は角度分解光電子分光(ARPES)を用いてNbドープされた基板上に成長させた単層FeSe/STOの電子状態測定を行った。その結果、60K程度からフェルミ準位での状態密度の低下および準粒子ピークの発達が観測された。これはこの系の超伝導転移温度が60K程度であることを示唆しているが、超伝導ギャップの大きさは60Kから最低温の25Kまでほとんど温度依存性を示さず、13meVで一定であった。通常のBCS理論に従う超伝導体では超伝導の発現から温度低下によってギャップが増大する振る舞いが見られるはずであるが、本結果はこれとは相容れないものであり非従来型超伝導が発現している可能性や、超伝導転移温度以上からギャップのような特徴が出現する擬ギャップ状態が存在することを示唆している。今後同一試料に対して超高真空中の電気伝導測定によって超伝導によるゼロ抵抗の検出を行うことで、より詳細な知見を予定である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bulk and surface electronic structure of Bi4Te3 from GW calculations and photoemission experiments (2022)
  • Author(s): Nabok Dmitrii、Tas Murat、Kusaka Shotaro、Durgun Engin、Friedrich Christoph、Bihlmayer Gustav、Bl?gel Stefan、Hirahara Toru、Aguilera Irene
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.034204
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 104502 (2022)
  • Author(s): Si Wen、Tanaka Tomoaki、Ichinokura Satoru、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 10 Pages: 104502-104502
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.104502
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-Dimensional Superconductivity of Ca-Intercalated Graphene on SiC: Vital Role of the Interface between Monolayer Graphene and the Substrate (2022)
  • Author(s): Toyama Haruko、Akiyama Ryota、Ichinokura Satoru、Hashizume Mizuki、Iimori Takushi、Endo Yukihiro、Hobara Rei、Matsui Tomohiro、Horii Kentaro、Sato Shunsuke、Hirahara Toru、Komori Fumio、Hasegawa Shuji
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 3 Pages: 3582-3592
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c11161
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Soft-Magnetic Skyrmions Induced by Surface-State Coupling in an Intrinsic Ferromagnetic Topological Insulator Sandwich Structure (2022)
  • Author(s): Takashiro Takuya、Akiyama Ryota、Kibirev Ivan A.、Matetskiy Andrey V.、Nakanishi Ryosuke、Sato Shunsuke、Fukasawa Takuro、Sasaki Taisuke、Toyama Haruko、Hiwatari Kota L.、Zotov Andrey V.、Saranin Alexander A.、Hirahara Toru、Hasegawa Shuji
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 3 Pages: 881-887
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02952
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Short-range magnetic interaction in a monolayer 1T-VSe₂ film revealed by element-specific x-ray magnetic circular dichroism (2022)
  • Author(s): Sumida Kazuki、Takeda Yukiharu、Kusaka Shotaro、Kobayashi Katsuyoshi、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 1 Pages: 014006-014006
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.014006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ionic Rectification across Ionic and Mixed Conductor Interfaces (2021)
  • Author(s): Nishio Kazunori、Ichinokura Satoru、Nakanishi Akitaka、Shimizu Koji、Kobayashi Yasutaka、Nakamura Naoto、Imazeki Daisuke、Shimizu Ryota、Hirahara Toru、Watanabe Satoshi、Hitosugi Taro
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 23 Pages: 10086-10091
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03872
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Absence of ferromagnetism in MnBi2Te4/Bi2Te3 down to 6 K (2021)
  • Author(s): Fukasawa T.、Kusaka S.、Sumida K.、Hashizume M.、Ichinokura S.、Takeda Y.、Ideta S.、Tanaka K.、Shimizu R.、Hitosugi T.、Hirahara T.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 20 Pages: 205405-205405
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.205405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monolayer FeSe films grown on SrTiO3 with controlled surface superstructures studied by scanning probes: evidence for interface superconductivity (2021)
  • Author(s): Tanaka Tomoaki、Ichinokura Satoru、Pedersen Asger、Hirahara Toru
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SE Pages: SE0801-SE0801
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abefad
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone (2020)
  • Author(s): T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev E. V. Chulkov
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4821-4821
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18645-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Scattering of topological surface-state carriers at steps on surfaces (2020)
  • Author(s): Fukui Naoya、Hobara Rei、Takayama Akari、Akiyama Ryota、Hirahara Toru、Hasegawa Shuji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 11 Pages: 115418-115418
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.115418
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interfacial Superconductivity in FeSe Ultrathin Films on SrTiO3 Probed by In?Situ Independently Driven Four-Point-Probe Measurements (2020)
  • Author(s): Pedersen Asger K.、Ichinokura Satoru、Tanaka Tomoaki、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 22 Pages: 227002-227002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.227002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Superconducting dome revealed by surface structure dependence in single unit cell FeSe on SrTiO3(001) (2020)
  • Author(s): Tanaka Tomoaki、Akiyama Kenta、Ichinokura Satoru、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 20 Pages: 205421-205421
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.205421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inverse spin Hall effect induced by asymmetric illumination of light in topological insulator Bi2Se3 (2020)
  • Author(s): Fan Di、Hobara Rei、Akiyama Ryota、Hasegawa Shuji
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 2 Pages: 023055-023055
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.023055
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 放射光による磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ/サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性評価 (2022)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: QST未来ラボ 次世代放射光利用研究グループ 2021年度公開ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 膜厚および成長条件に依存したVSe2薄膜の電子状態 (2022)
  • Author(s): 角田一樹， 日下翔太郎， 竹田幸治， 小林功佳， 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 単層V5Se8の磁気構造の計算 (2022)
  • Author(s): 小林功佳，角田一樹，平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 Ⅱ (2022)
  • Author(s): 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 田中清尚, 石原和宜, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Single-layer FeSe/SrTiO3-√13x√13 (2022)
  • Author(s): W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, T. Hirahara
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Caがインターカレートしたグラフェンにおける２重ディラックバンドと層間電子状態 (2022)
  • Author(s): 一ノ倉聖, 德田啓, 福嶋隆司朗, 堀井健太郎, 遠山晴子, 秋山了太, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 長谷川修司, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 単層FeSeの基板誘起の対称性の破れと超伝導ギャップの空間依存性 (2022)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 2021年度 極低温研究支援センター研究発表会
• [Presentation] 自己組織化によるトポロジカル絶縁体の磁気拡張 (2021)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 2021年応物秋季学術講演会シンポジウム「理論と実験の協奏 スピントロニクス材料・現象・素子」
  • Invited
• [Presentation] Substrate-induced Broken C4 Symmetry in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 -√13x√13 (2021)
  • Author(s): W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, and T. Hirahara
  • Organizer: 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Short-range ferromagnetic interaction in a monolayer VSe2 film revealed by element-specific x-ray magnetic circular dichroism (2021)
  • Author(s): K. Sumida, Y. Takeda, S. Kusaka, K. Kobayashi, T. Hirahara
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene (2021)
  • Author(s): S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, T. Hirahara
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-Principles Analysis on Band alignment of LiTi2O4 and SrTiO3 to Understand Ion Diffusion Modulation via Substrate Choice (2021)
  • Author(s): A. Nakanishi, K. Nishio, S. Ichinokura, K. Shimizu, Y. Kobayashi, N. Nakamura, D. Imazeki, R. Shimizu, T. Hirahara, T. Hitosugi, and S. Watanabe
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体サンドウィッチ構造の電子状態と磁化特性 (2021)
  • Author(s): 福嶋 隆司朗, 角田 一樹, 竹田 幸治, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • Organizer: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Liインターカレートしたグラフェンにおける van Hove特異性の層数依存性 (2021)
  • Author(s): 一ノ倉 聖, 豊田 雅之, 橋爪 瑞葵, 堀井 健太郎, 日下 翔太郎, 出田 真一郎, 田中 清尚, 清水 亮太, 一杉 太郎, 斎藤 晋, 平原 徹
  • Organizer: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Local effect of sqrt13xsqrt13 reconstruction on single-layer FeSe/SrTiO3 (2021)
  • Author(s): 司 文, 田中 友晃, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • Organizer: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Liインターカレートした単層および多層グラフェンにおける質量のあるディラックコーン (2021)
  • Author(s): 一ノ倉聖, 豊田雅之, 橋爪瑞葵, 堀井健太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] NbドープSrTiO3上の単層FeSeの電気伝導測定 (2021)
  • Author(s): 出高志朗, 小林俊博, 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] SiC基板上のCaインターカレートグラフェンにおける超伝導 (2021)
  • Author(s): 遠山晴子, 秋山了太, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 飯盛拓嗣, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 保原麗, 遠藤由大, 福山寛, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 軟X線磁気円二色性で探る単層VSe2薄膜の磁性 (2021)
  • Author(s): 角田一樹, 竹田幸治, 日下翔太郎, 小林功佳, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Local Effect of Surface Reconstruction on Superconducting Monolayer FeSe on SrTiO3 √13×√13 (2021)
  • Author(s): SI WEN, TOMOAKI TANAKA, SATORU ICHINOKURA, TORU HIRAHARA
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造のXMCD測定 (2021)
  • Author(s): 平原徹, 角田一樹, 竹田幸治
  • Organizer: 文科省ナノテクプラットフォーム令和3年度利用成果発表会
• [Presentation] Caインターカレート誘起フリースタンディンググラフェンにおける構造と超伝導の相関 (2021)
  • Author(s): 遠山晴子, 秋山了太, 佐藤瞬亮, 遠藤由大, 保原麗, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 松井朋裕, 福山寛, 長谷川修司
  • Organizer: 日本表面真空学会 2021年度関東支部講演大会
• [Presentation] Self-assembled magnetic topological heterostructures (2021)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: Workshop "MnBi2Te4-based magnetic topological insulators"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フリースタンディング2層グラフェンにおけるCaインターカレート誘起超伝導 (2021)
  • Author(s): 遠山晴子, 秋山了太, 佐藤瞬亮, 遠藤由大, 保原麗, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 長谷川修司
  • Organizer: 東京大学低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] BiとTeからなるトポロジカル絶縁体超格子の作製とその電子状態 (2021)
  • Author(s): 日下翔太郎, 佐々木泰祐, Dmitrii Nabok, 角田一樹, 一ノ倉聖, 出田真一郎, 田中清尚, 宝野和博, Irene Aguilera, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 (2021)
  • Author(s): 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] LiインターカレートしたSiC上のグラフェンの層数制御によるリフシッツ転移の観測 (2021)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] アルカリ金属蒸着による単原子層h-BNのエネルギーバンドシフト (2021)
  • Author(s): 一ノ倉聖, Hemmi Adrian, 清水亮太, 一杉太郎, Greber Thomas, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体への磁性原子層挿入による磁気拡張 (2021)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 2020年度 極低温研究支援センター研究発表会
• [Presentation] Superconductivity of monolayer FeSe films on SrTiO3 substrates with controlled surface superstructures (2020)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: 28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM28)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の超伝導研究 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 基研研究会「高温超伝導・非従来型超伝導研究の最前線：多様性と普遍性」
  • Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の超伝導研究 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 物性研究所ワークショップ「ナノスケール物性科学の最先端と新展開」
  • Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の高温超伝導特性解明 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 新学術機能コア 第5回遠隔連携会議
• [Presentation] Li-インターカレーションによる 単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2020
• [Presentation] 強磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造Mn(Bi1-xSbx)2Te4/(Bi1-xSbx)2Te3/ Mn(Bi1-xSbx)2Te4/Si(111)のフェルミ準位制御による電気伝導特性変調 (2020)
  • Author(s): 高城拓也, 秋山了太, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, 遠山晴子, 中西亮介, 樋渡功太, 平原徹, 深澤拓朗, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 超高真空中での独立駆動4探針電気伝導測定法によるFeSe超薄膜/SrTiO3の界面超伝導の検出 (2020)
  • Author(s): 一ノ倉聖, Pedersen Asger, 田中友晃, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造MnBi2Te4/Bi2Te3の構造、電子状態と磁性 (2020)
  • Author(s): 深澤拓朗, 日下翔太郎, 角田一樹, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 竹田幸治, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] SrTiO3(001)-√13×√13上に作成した単層FeSeの超伝導特性 (2020)
  • Author(s): 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Li-インターカレーションによる単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Book] ポストグラフェン材料の創製と用途開発最前線 (2020)
  • Author(s): 柚原淳司 監修
  • Total Pages: 369
  • Publisher: NTS
  • ISBN: 9784860436575
• [Remarks] 平原研究室ホームページ
  • URL: https://www.hiraharalab-phys-titech.com/