有機多層ディラック電子系におけるヘリカル表面状態

• Project Area: New Frontier in Materials Science Opened by Molecular Degrees of Freedom
• Project/Area Number: 23110705
• 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: 長田 俊人 東京大学, 物性研究所, 准教授 (00192526)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2012: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2011: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: ディラック電子 / ヘリカル表面状態 / 量子ホール効果 / 有機伝導体 / 層間磁気抵抗

Outline of Annual Research Achievements

高圧下の有機導体α-(BEDT-TTF)2I3は、質量ゼロの２次元ディラック電子系が弱い層間結合で積層した多層ディラック電子系であり、容易にn=0の基底ランダウ準位のみが占有される強磁場量子極限が実現する。更に強磁場領域での層間磁気抵抗の振舞は、ヘリカル表面状態を伴うν=0量子ホール強磁性状態の実現を示唆する。本研究の目的は、量子ホール強磁性状態を実験的に確認し、その表面伝導物性を解明することである。
初年度は、強磁場領域で飽和する層間磁気抵抗が、①試料の断面積でスケールされないこと、②特定の磁場方位でのみ強い飽和を起こすことの２つの実験結果から、ヘリカル表面状態による表面伝導の存在を実証し、系が量子ホール強磁性相にあることを示した。本年度は層内伝導特性によりヘリカル表面状態の様子を調べた。
層間磁気抵抗の飽和領域における、層内伝導は２端子試料の場合２端子を結ぶ試料端のヘリカルエッジチャネルによって担われると考えられる。このエッジ伝導が無散乱でバリスティックであれば1層当たりの２端子コンダクタンスはG=2e^2/hで与えられるはずである。しかし実験によればG～(2e^2/h)/100程度で、逆スピンをもつ対向エッジチャネルの間でスピン反転散乱が起き、エッジ伝導は拡散的になっていることがわかる。この事実は、本系では時間反転対称性が破れており、ヘリカルエッジ状態はトポロジカルに保護されないことと整合する。またスピン反転散乱長はL/100～10μm程度と見積もられる。また層内磁気抵抗の磁場方位依存性にも特定磁場方位で層間磁気抵抗の場合と同様な共鳴的構造が現れるが、これは端を持たないCorbino型同心円電極配置にすると消滅することを見出した。この結果は、隣接層のエッジ状態間トンネルの共鳴が拡散的な層内エッジ伝導に反映されたと考えると、矛盾なく説明することができる。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Angle-Dependent Magnetoresistance Oscillations and Charge Density Wave in the Organic Conductor a-(BEDT-TTF)2KHg(SCN)4 (2013)
  • Author(s): Kazuhito Uchida
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 82 Issue: 4 Pages: 043714-043714
  • DOI: 10.7566/jpsj.82.043714
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetotransport in organic Dirac fermion system at the quantum limit: Interlayer Hall effect and surface transport via helical edge states (2012)
  • Author(s): T. Osada
  • Journal Title: Physica Status Solidi B Volume: 249 Issue: 5 Pages: 962-966
  • DOI: 10.1002/pssb.201100587
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Angle-Dependent Stark Cyclotron Resonance in a Layered Organic Conductor (2012)
  • Author(s): A. Kumagai
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 81 Issue: 2 Pages: 023708-023708
  • DOI: 10.1143/jpsj.81.023708
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific Heat of the Multilayered Massless Dirac Fermion System (2012)
  • Author(s): Takako Konoike, Kazuhito Uchida, and Toshihito Osada
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. 81 Volume: No.4 Issue: 4 Pages: 043601-043601
  • DOI: 10.1143/jpsj.81.043601
  • NAID: 210000109469
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous Interlayer Hall Effect in Multilayer Massless Dirac Fermion System at the Quantum Limit (2011)
  • Author(s): Toshihito Osada
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 80, No.3 Issue: 3 Pages: 033708-033708
  • DOI: 10.1143/jpsj.80.033708
  • NAID: 40018753704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetotransport of Massless Dirac Fermions in Multilayer Organic Conductors (2011)
  • Author(s): T. Osada, K. Uchida, and T. Konoike
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser Volume: 334 Pages: 012049-012049
  • DOI: 10.1088/1742-6596/334/1/012049
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Surface Magnetotransport due to Helical Edge State in the Organic Dirac Fermion system at the Quantum Limit (2012)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: International Symposium on Materials Science Opened by Molecular Degrees of Freedom (MDF2012)
  • Place of Presentation: 宮崎
  • Year and Date: 2012-12-01
• [Presentation] Surface transport due to helical edge state in the organic Dirac fermion system under high magnetic fields (2012)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: The 20th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics (HMF-20)
  • Place of Presentation: Chamonix, France
  • Year and Date: 2012-07-22
• [Presentation] Quantum Hall Ferromagnet with Helical Edge State Observed in an Organic Massless Dirac Fermion System (2012)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: The 6th International Conference on the Fundamental Science of Graphene and Applications of Graphene-Based Devices (Graphene Week 2012)
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2012-06-04
• [Presentation] Surface State in the n=0 Quantum Hall State in the Organic Dirac Fermion System (2012)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2012)
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-05-16
• [Presentation] Magnetotransport in Organic Dirac Fermion System at the Quantum Limit: Interlayer Hall Effect and Surface Transport via Helical Edge State (2011)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: The 9th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Ferromagnets (ISCOM 2011)
  • Place of Presentation: Gniezno, Poland
• [Presentation] Interlayer Magnetotransport of Massless Dirac Fermions in Zerogap Organic Conductors (2011)
  • Author(s): T. Osada
  • Organizer: The 19th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS19)
  • Place of Presentation: Tallahassee, USA
• [Remarks] 長田研究室ホームページ
  • URL: http://osada.issp.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] 長田研究室ホームページ
  • URL: http://osada.issp.u-tokyo.ac.jp/