SrTiO3基板中のNbを機能コアとする単層FeSe薄膜の超伝導特性解明

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 22H04502
• 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, 教授 (30451818)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• 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

STO基板上の単層FeSeは40-109 Kという超伝導転移温度(Tc)を示す。この高いTcの起源の微視的起源は不明である。我々は単層FeSeの超伝導特性がSTOの表面超構造つまり酸素欠陥の量に依存していることを実証し、in situ電気伝導測定により絶縁STO上のFeSeの超伝導転移に伴うゼロ抵抗を検出し、Tcが40 Kと突き止めた。
しかしこれまでの研究ではTcのバラツキを完全に説明するには至っていない。そこで109KというTcがNbドープされたSTO基板上の試料で報告されていることを踏まえ、本研究では機能コアとして「STO基板中のNb」に着目することで、高温超伝導の発現機構解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

SrTiO3(STO)基板上の単層FeSe薄膜は、40 Kという高い転移温度Tcで超伝導を示すことが報告されている。これはバルクFeSeのTcが8Kであり、一般に物質を薄膜化するとTcが下がることを考えると、驚くべき事実である。このTc上昇の原因としてSTO基板とFeSe薄膜での界面が重要な役割を与えると考えられている。本研究では特にSTO基板にドープされたNbに着目してTc上昇のミクロなメカニズムを考察するのが目的であった。
昨年度までに上記の課題に取り組み、Nb原子のドープの有無で単層FeSeの超伝導特性が影響を受けないことを高分解能の角度分解光電子分光およびin situでの輸送測定により解明した。そこで本年度はバルクFeSeとほぼ同じ結晶構造だが基底状態が超伝導ではなく近藤格子と言われているFeTeを単層化した際の基底状態の変化を調べることにした。薄膜を作製後にin situでの走査トンネル顕微鏡/分光(STM/STS)測定により単層FeTeでは二種類の近藤一重項状態が共存していることが分かった。さらにバルクとは違ってフェルミ準位近傍にギャップ構造を持たず、近藤格子を形成しないことが明らかになった。この理由はSTO基板からの局所的なドープ量の違いで近藤共鳴が試料全体に広がることが不可能なためであると考察できる。このようにFeSeだけでなくFeTeでも単層化した場合は基底状態が基板の影響を大きく受けて基底状態が決定されることが分かった。これは鉄系カルコゲンにおいて、超伝導だけでなく別な基底状態である近藤状態も基板表面の変調を受けることを示す重要な結果である。また近藤状態の物理においてもこのような特異な現象を発見したことは初めてであり、物質を超えた価値があると考えられる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Van Hove Singularity and Enhanced Superconductivity in Ca-intercalated Bilayer Graphene Induced by Confinement Epitaxy (2024)
  • Author(s): Satoru Ichinokura, Kei Tokuda, Masayuki Toyoda, Kiyohisa Tanaka, Susumu Saito, and Toru Hirahara
  • Journal Title: ACS Nano Volume: xx
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficiency of electron doping to monolayer hexagonal boron nitride by alkali metals (2023)
  • Author(s): Ichinokura S.、Hemmi A.、Cun H.、Tanaka K.、Shimizu R.、Hitosugi T.、Greber T.、Hirahara T.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 122 Issue: 7 Pages: 071601-071601
  • DOI: 10.1063/5.0140074
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thickness-dependent Lifshitz Transition in Li-intercalated Graphene (2022)
  • Author(s): 一ノ倉 聖 , 豊田 雅之, 斎藤 晋, 平原 徹
  • Journal Title: Vacuum and Surface Science Volume: 65 Issue: 11 Pages: 502-507
  • DOI: 10.1380/vss.65.502
  • ISSN: 2433-5835, 2433-5843
  • Year and Date: 2022-11-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrical Observation of Soft-magnetic Skyrmions in the Sandwich Structure Including Topological Insulator with Self-assembled Ferromagnetic Atomic Layers (2022)
  • Author(s): 高城 拓也, 秋山 了太, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, 中西 亮介, 佐藤 瞬亮, 深澤 拓朗, 佐々木 泰祐, 遠山 晴子, 樋渡 功太, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 平原 徹, 長谷川 修司
  • Journal Title: Vacuum and Surface Science Volume: 65 Issue: 9 Pages: 405-410
  • DOI: 10.1380/vss.65.405
  • ISSN: 2433-5835, 2433-5843
  • Year and Date: 2022-09-10
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Temperature dependence of the superconducting gap of single-layer FeSe/SrTiO3: Direct comparison between transport and spectroscopic measurements (2022)
  • Author(s): K. Ide, T. Tanaka, A. Pedersen, S. Ichinokura, and T. Hirahara
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 12 Pages: 124801-124801
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.124801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of monolayer V5Se8 from multilayer VSe2 films via V- and Se-desorption (2022)
  • Author(s): Sumida Kazuki、Kusaka Shotaro、Takeda Yukiharu、Kobayashi Katsuyoshi、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 19 Pages: 195421-195421
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.195421
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modifying the Interface between the Solvated Ionic Liquid Electrolyte and Positive Electrode to Boost Lithium-Ion Battery Performance (2022)
  • Author(s): Jun Deng, Kazunori Nishio, Satoru Ichinokura, Yuki Watanabe, Kurei Edamura, Ryo Nakayama, Ryota Shimizu, Toru Hirahara, Taro Hitosugi
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 5 Issue: 9 Pages: 10891-10891
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c01533
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Van Hove singularity and Lifshitz transition in thickness-controlled Li-intercalated graphene (2022)
  • Author(s): S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, and T. Hirahara
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 23 Pages: 235307-235307
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.235307
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of (Bi2)m(Bi2Te3)n superlattice films by Te desorption from a pristine Bi2Te3 film (2022)
  • Author(s): S. Kusaka, T. T. Sasaki, K. Sumida, S. Ichinokura, S. Ideta, K. Tanaka, K. Hono, and T. Hirahara
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 17 Pages: 173102-173102
  • DOI: 10.1063/5.0090207
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Si(111)(√3×√3)R30°-Sn表面の電子状態の基板依存性 (2024)
  • Author(s): 西道広海, 石原和宜, 田中清尚, 加来滋, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2024春季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造のXMCD測定 (2024)
  • Author(s): 秋山亮介, 佐々木泰祐, D. P. Salinas, M. Valvidares, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2024春季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造MnBi2Te4/Bi2Te3のin situホール測定による磁化特性の評価 (2024)
  • Author(s): 石原和宜, 西道広海, 佐々木泰祐, 秋山亮介, D. P. Salinas, M. Valvidares, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2024春季大会
• [Presentation] Kインターカレート2層グラフェンの電子構造 (2024)
  • Author(s): 中村達哉, 一ノ倉聖, 徳田啓, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2024春季大会
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy studies of monolayer FeTe on SrTiO3(001)-√13×√13 (2024)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: APS 2024 March Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SrTiO3基板中のNbを機能コアとする単層FeSe薄膜の超伝導特性解明 (2024)
  • Author(s): 平原徹
  • Organizer: 機能コア材料科学 2023年度公開シンポジウム
• [Presentation] SrTiO3上の単層FeTeにおける基板に変調された近藤一重項状態 (2024)
  • Author(s): 平原徹
  • Organizer: 2023年度 極低温研究支援センター研究発表会
• [Presentation] Quantum properties of atomic layer films studied by in situ ARPES and transport measurements (2023)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: 3rd ARPES Workshop "ARPES meets crystal growth and characterization
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Intercalation-driven Superconductivity in Graphene (2023)
  • Author(s): 一ノ倉聖
  • Organizer: 明日の放射光光電子分光研究展開のシーズとニーズ
  • Invited
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy studies of monolayer FeTe on SrTiO3(001)-√13×√13 (2023)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: ISSPワークショップ「表面界面スペクトルスコピー２０２３」
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy studies of monolayer FeTe on SrTiO3(001)-√13×√13 (2023)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: ICSPM-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体電解質－LiCoO2 電極界面抵抗の定量的研究：界面反応層による電池特性の改善 (2023)
  • Author(s): 西尾 和記, ジュン デン, 一ノ倉 聖, 渡邊 祐紀, 枝村 紅依, 中山 亮, 清水 亮太, 平原 徹, 一杉 太郎
  • Organizer: 第49回固体イオニクス討論会
• [Presentation] Ca およびMnがインターカレートしたグラフェン/SiC における界面の効果 (2023)
  • Author(s): 徳田啓、一ノ倉聖、豊田雅之、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: 第6回日本表面真空学会若手部会研究会
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy studies of monolayer FeSe and FeTe modulated by SrTiO3(001) Substrate Surface (2023)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Tomoaki Tanaka, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: 第6回日本表面真空学会若手部会研究会
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy studies of monolayer FeTe on SrTiO3(001)-√13×√13 (2023)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: JVSS 2023(日本表面真空学会学術講演会)
• [Presentation] Superconductivity of Ca-intercalated bilayer graphene enhanced by confinement epitaxy (2023)
  • Author(s): Satoru Ichinokura, Kei Tokuda, Masayuki Toyoda, Kiyohisa Tanaka, Susumu Saito, Toru Hirahara
  • Organizer: JVSS 2023(日本表面真空学会学術講演会)
• [Presentation] Two-dimensional superconductivity in α-Sn(111)/ SnTe(111) heterostructures (2023)
  • Author(s): Yuxiao Guo, Ryota Akiyama, Takako Konoike, Satoru Ichinokura, Yuya Hattori, Takuya Takashiro, Rei Hobara, Taichi Terashima, Toru Hirahara, Shinya Uji, Shuji Hasegawa
  • Organizer: JVSS 2023(日本表面真空学会学術講演会)
• [Presentation] Scanning tunneling microscopy/spectroscopy Studies of Monolayer FeTe on SrTiO3(001)-√13×√13 (2023)
  • Author(s): 司文, Yu Bin, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 2023年日本物理学会年次大会
• [Presentation] ディラックハーフメタル候補物質グラフェン/Mn/SiCの作製の試みとその電子状態測定 (2023)
  • Author(s): 徳田啓, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 2023年日本物理学会年次大会
• [Presentation] ホールドープされた表面モット絶縁体の試料評価と電子状態測定 (2023)
  • Author(s): 西道広海, 加来滋, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 2023年日本物理学会年次大会
• [Presentation] SiC基板上のCaインターカレートグラフェンが示す2次元超伝導：グラフェンと基板の界面に注目して (2023)
  • Author(s): 遠山晴子, 秋山了太, 一ノ倉聖, 橋爪瑞葵, 飯森拓嗣, 遠藤由大, 保原麗, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
  • Organizer: 2023年日本物理学会年次大会
• [Presentation] イオン液体電解質を用いたリチウムイオン二次電池における電極-電解質間の界面の定量研究 (2023)
  • Author(s): 和田朋子, _俊, 西尾和記, 一ノ倉聖, 渡邊佑紀, 枝村紅依, 中山亮, 清水亮太, 平原徹, 一杉太郎
  • Organizer: 電気化学会関東支部「第41回夏の学校」
• [Presentation] Theoretical Study on Magnetic Structures of V5Se8 Thin Films (2023)
  • Author(s): K. Kobayashi, K. Sumida, and T. Hirahara
  • Organizer: ECOSS-36(36th European Conference on Surface Science)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy Studies on Monolayer FeSe and FeTe Modulated by SrTiO3 Substrate Surface (2023)
  • Author(s): Wen Si, Bin Yu, Tomoaki Tanaka, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: 新学術 機能コア 若手の会・領域全体会議合同会議
• [Presentation] ホールドープされたモット絶縁体表面の試料評価と電子状態測定 (2023)
  • Author(s): 西道広海、加来滋、一ノ倉聖、平原徹
  • Organizer: 日本表面真空学会 2023年関東支部講演会
• [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンにおけるCa-3d軌道の価電子帯への寄与 (2023)
  • Author(s): 一ノ倉聖、豊田雅之、徳田啓、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: 日本表面真空学会 2023年関東支部講演会
• [Presentation] in situ ARPESによる原子層単位で制御された極薄物質の新奇電子状態の解明 (2023)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: ナノテラスARPESシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Caがインターカレートした2層グラフェンにおけるCa-3d軌道の価電子帯への寄与 (2023)
  • Author(s): 一ノ倉聖、豊田雅之、_田啓、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体MnBi2Te4サンドイッチ構造の電子構造とその温度依存性 (2023)
  • Author(s): 石原和宜, 出高志朗, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 超伝導体C6CaC6とSiC基板の界面Caが誘起する金属的バンドと転移温度の上昇 (2023)
  • Author(s): 徳田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 単層FeSe/STOのその場電子輸送による超伝導転移と電子状態の超伝導“ギャップ”の比較 (2023)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 2022年度 極低温研究支援センター研究発表会_
• [Presentation] 新奇な原子層物質の開拓とその表面界面ナノ量子物性 (2022)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 第7回光機能研究会
  • Invited
• [Presentation] 二次元磁性体のトポロジカル量子物性に関する分光学的研究 (2022)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 二次元物質の量子物性：トポロジカル磁性と超伝導 (2022)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 第17回酸化グラフェン学会
  • Invited
• [Presentation] SrTiO3基板上の単層FeSeの電子輸送による超伝導転移と電子状態測定による超伝導"ギャップ"の比較 (2022)
  • Author(s): 出高志朗、田中友晃、一ノ倉聖、平原徹
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2022
• [Presentation] ルシウム侵入 2 層グラフェンにおける p 軌道と d 軌道の混成 (2022)
  • Author(s): 一ノ倉聖、豊田雅之、_田啓、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム
• [Presentation] Ca インターカレート 2 層グラフェンに 過剰な Ca が誘起する自由電子バンド (2022)
  • Author(s): 徳田啓、一ノ倉聖、豊田雅之、田中清尚、斎藤晋、平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム
• [Presentation] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 - √13 ×√13 (2022)
  • Author(s): Si Wen, Tomoaki Tanaka，Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science (TSQS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vを用いたBi2Se3の磁気拡張の試みと電子状態測定 (2022)
  • Author(s): 石原和宜, 福嶋隆司朗, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 第5回日本表面真空学会若手部会研究会
• [Presentation] Soft-magnetic skyrmions induced by surface-state coupling in a sandwich structure with an intrinsic ferromagnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): T. Takashiro, R. Akiyama, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa, T. Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. Hirahara and S. Hasegawa
  • Organizer: The 92th IUVSTA workshop and APSSS-4
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Vを用いたBi2Se3の磁気拡張の試みと電子状態測定 (2022)
  • Author(s): 石原和宜, 福嶋隆司朗, 一ノ倉聖, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 2022年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンに過剰なCaが誘起する自由電子バンド (2022)
  • Author(s): 徳田啓, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 田中清尚, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 2022年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] SrTiO3基板上の単層FeSeの臨界電流による超伝導ギャップの推定 (2022)
  • Author(s): 出高志朗, 田中友晃, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 2022年日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene (2022)
  • 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: IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical Calculation of Magnetic Structures of V5Se8 Thin Films (2022)
  • Author(s): K. Kobayashi, K. Sumida, T. Hirahara
  • Organizer: IVC-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 - √13 ×√13 (2022)
  • Author(s): Si Wen, Tomoaki Tanaka, Satoru Ichinokura, Toru Hirahara
  • Organizer: 日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
• [Presentation] Caインターカレート2層グラフェンに過剰な Ca が誘起する自由電子バンド (2022)
  • Author(s): 徳田啓， 一ノ倉聖， 田中清尚， 平原徹
  • Organizer: 日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
• [Presentation] V を用いた Bi2Se3の磁気拡張の試みと電子状態測定 (2022)
  • Author(s): 石原和宜， 福嶋隆司朗， 田中清尚， 平原徹
  • Organizer: 日本表面真空学会 2022年関東支部講演会
• [Remarks] 平原研究室ホームページ
  • URL: https://www.hiraharalab-phys-titech.com/