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超格子バンドエンジニアリングによるトポロジカル絶縁体の実現

Publicly Offered Research

Project AreaTopological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
Project/Area Number 25103724
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionThe Institute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

松野 丈夫  独立行政法人理化学研究所, 石橋極微デバイス工学研究室, 専任研究員 (00443028)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2014: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2013: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywordsトポロジカル絶縁体 / スピン・軌道相互作用 / 電子相関 / パルスレーザー堆積法 / イリジウム酸化物 / エピタキシャル薄膜
Outline of Annual Research Achievements

イリジウム酸化物に代表される5d電子系のスピン‐軌道相互作用は約0.5eVと大きく、かつ電子相関とも競合するという特徴を持つ。そのため相関の効いたトポロジカル絶縁体の候補と考えられており、中でも、ペロブスカイト酸化物SrIrO3を(111)面上に2層ずつ積層することで形成されるハニカム格子が理論的に有望と予測されている。この予測は人工超格子によるバンド構造制御、すなわち超格子バンドエンジニアリングにより初めて実現が可能であり、本研究ではパルスレーザー堆積法によりこれに取り組んだ。
前年度に確立した(111)面上でのペロブスカイト構造の安定化技術を活用し、人工超格子[(Ca0.5Sr0.5IrO3)2m、(SrTiO3)2]/SrTiO3(111)(m=1,2,3,∞)を作成した。m=1は理論で予言される2層ずつの超格子に対応し、mを大きくすることは次元性の増大に対応する。設計通りの超格子が原子レベルで積層されていることをX線回折の超格子ピークおよび高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法によって確認した。輸送特性の測定により、mの減少に伴い半金属から絶縁体へと変化することが明らかとなった。特にm=3ではおよそ100 Kで高温の金属相から低温の絶縁体相への転移が観測された。この転移温度以下では明瞭な磁場ヒステリシスを伴う異常ホール効果が観測されたことから、低温相は磁性絶縁体である。その起源は反強磁性に付随した寄生強磁性と考えられ、m=3においては電子相関が重要であることを示唆している。m=1, 2においては高い抵抗率により異常ホール効果が測定できなかったため、非磁性絶縁体である可能性とm=3と同様の磁性絶縁体である可能性の両方が考えられる。これらはトポロジカル絶縁体あるいはその近傍の強相関絶縁体と考えられ、イリジウム酸化物がまさに両者の競合する舞台であることを示している。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2015 2014 2013 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Fabrication of (111)-oriented Ga0.5Sr0.5IrO3/SrTiO3 superlattices-A designed playground for honeycomb physics2015

    • Author(s)
      D. Hirai, J. Matsuno, and H. Takagi
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 3 Issue: 4

    • DOI

      10.1063/1.4913389

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 5d iridium oxide as a material for spin current detection2013

    • Author(s)
      K. Fujiwara, Y. Fukuma, J. Matsuno, H. Idzuchi, Y. Niimi, Y. Otani, H. Takagi
    • Journal Title

      Nat. Commun.

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 28931-6

    • DOI

      10.1038/ncomms3893

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Search for a new topological insulator: superlattice-based honeycomb Ir oxides2014

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      TQP2014 International Conference on Topological Quantum Phenomena
    • Place of Presentation
      京都大学吉田キャンパス、京都市
    • Year and Date
      2014-12-18
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] イリジウム系薄膜研究の現状と今後の展望2014

    • Author(s)
      松野 丈夫
    • Organizer
      新学術領域研究 「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第16回集中連携研究会「トポロジカル電子流体の新奇現象」
    • Place of Presentation
      木曽屋、下呂市
    • Year and Date
      2014-06-16
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 5d iridium oxide as a material for spin-current detection2014

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      2014 EMN Summer Meeting
    • Place of Presentation
      Cancun, Mexico
    • Year and Date
      2014-06-11
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Band-structure engineering of Ir oxides with strong spin-orbit coupling2014

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      The 6th Indo-Japan Seminar Physics and Design of Multi-Functional Correlated Materials
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Electronic Phase Control of Ir Oxide Superlattices with Strong Spin-orbit Coupling2013

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      2013 JSAP-MRS Joint Symposia: Symposium A, Synthesis and Magnetic Properties of Oxide Nanocomposites and Heterostructures
    • Place of Presentation
      Kyoto
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Tuning of the Spin-orbit Mott State by Tailoring Superlattices2013

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      Workshop on Oxide Electronics 20
    • Place of Presentation
      Singapore
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Tuning of the spin-orbit Mott state by using artificial superlattices2013

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      2nd workshops for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena
    • Place of Presentation
      Okinawa
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Tuning of the Spin-orbit Mott State by Tailoring Superlattices2013

    • Author(s)
      J. Matsuno
    • Organizer
      FIRST-QS2C Workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
    • Place of Presentation
      Tokyo
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Epitaxial growth of Ir oxides on SrTiO3(111) ― Towards the realization of topological insulator ―2013

    • Author(s)
      J. Matsuno, D. Hirai and H. Takagi
    • Organizer
      新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第4回領域研究会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Remarks] 松野 丈夫|メンバー|対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象

    • URL

      http://www.topological-qp.jp/member/sp_profile/profile_c01_matsuno.html

    • Related Report
      2014 Annual Research Report

URL: 

Published: 2013-05-15   Modified: 2019-07-29  

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