2015 Fiscal Year Annual Research Report
軌道自由度がある界面２次元電子系における磁性と超伝導の研究
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14J04333
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
中村 康晴 新潟大学, 自然科学系, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 空間反転対称性の破れ / 超伝導 / 表面/界面 / 遷移金属ダイカルコゲナイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の作成が成功して以来、グラフェン同様の2次元電子系に関する物性や積層構造の人工的なコントロール、またグラフェンにはないスピン軌道相互作用の影響に関する研究が多く行われている。本研究は、これまでに書いた研究実施計画を超えて、この遷移金属ダイカルコゲナイドを対象として空間反転対称性の破れが超伝導に与える影響について調べた。
昨年度は主にMoS2表面におけるZeeman型反対称スピン軌道相互作用が超伝導に与える影響についての研究を行った。また、二層遷移金属ダイカルコゲナイドに関する研究にも従事し、Zeeman型反対称スピン軌道相互作用と面内磁場によりペア密度波状態が安定になりうることを示した。本年度は去年の研究に加えて層状物質に面内磁場を印加した場合に起こるJosephson-vortexによる軌道対破壊効果を考慮した場合における磁場中超伝導状態の研究を行った。
昨年までの研究では超伝導対破壊効果としてPauli極限を考慮したものであった。本年度は軌道対破壊効果の影響も考慮した結果、磁場中超伝導状態として低磁場領域では通常のBCS状態が、高磁場領域ではこれまでの同様にペア密度波状態が安定となった。しかし、軌道対破壊効果により中間領域では渦糸状態と呼ばれる超伝導状態が安定となるという結果が得られた。さらに、反対称スピン軌道相互作用が増大するに伴い、この渦糸状態の領域が広がることを発見した。これは反対称スピン軌道相互作用によりPauli極限は大きく増強されるが、軌道対破壊効果はほとんど増強されないことに起因している。また、上記に結果に加えてRashba型反対称スピン軌道相互作用を加えた場合にも研究を行い、どのような領域でペア密度波が安定になるかを議論した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の学術振興会への提書類では二年目にはSrTiO3/LaAlO3界面における強結合超伝導についての研究を行う予定であった。しかし、SrTiO3/LaAlO3界面同様、基礎研究と応用研究の両面から注目されている遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜および表面でおこる超伝導において反対称スピン軌道相互作用による興味深い物性が観測されたため、昨年より遷移金属ダイカルコゲナイドを対象とした研究を行ってきた。
本年度に行った研究により、軌道対破壊効果を考慮した場合についても低温領域でPDW相が安定なることを示すことができた。また、Rashba型反対称スピン軌道相互作用の影響を考えることで、さらに現実の物質に近い状態での計算を行った。その結果から実験グループへの提案など行えたことや多くの研究会で発表を行えたことなどは十分に本研究をすすめることができたと考えている。その一方、二層遷移金属ダイカルコゲナイドに関する論文を完成させることができなかった点などについては進展が遅かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により多層遷移金属ダイカルコゲナイドにおける超伝導状態の研究は概ね理解することができた。その結果、バルクにおけるNon-symmorphicな構造が物質表面において、空間反転対称性の破れの影響を有効的に大きくすることが判明した。その一方で、実験グループとの議論の中で実際に物質を扱う際に、多かれ少なかれ、必ず考える必要のある不純物効果についての問題が浮上した。
遷移金属ダイカルコゲナイド表面では電場によるキャリアードープにより超伝導が発言するために比較的に不純物による影響は少ないと考えられる。しかし、高磁場領域などのある程度特殊な領域においてはこの不純物効果は無視できない場合も考えられる。実際、実験で得られているMoS2表面における巨大な上部臨界磁場の高磁場領域での振る舞いはある程度Rashba型反対称スピン軌道相互作用の影響を考えなければ説明できていないが、第一原理バンド計算による結果はそこまで大きなRashba型反対称スピン軌道相互作用による影響は見られていない。この高磁場領域での振る舞いを説明する最も有料くな候補が不純物効果である。
本年度はこれまで同様に遷移金属ダイカルコゲナイドを主な対象として不純物効果が超伝導に与える影響の解明を行う。上述のようにこの系における不純物は弱い散乱体であると考えられるので不純物効果を取り扱うのに最も簡単なボルン近似を用いて超伝導状態の計算を行う。特に、本系の特徴であるZeeeman型スピン軌道相互作用と不純物効果が創りだす影響に関して注目して研究を行う。
また、不純物効果に関してはSrTiO3/LaAlO3界面やSrTiO3表面などでも重要となることが指摘されており、多軌道モデルからミクロに導出した反対称スピン軌道相互作用との影響についても同様に研究を行う要諦である。
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Research Products
(8 results)
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[Journal Article] Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS22016
Author(s)
Y. Saito, Y. Nakamura, M. S. Bahramy, Y. Kohama, J. Ye, Y. Kasahara, Y. Nakagawa, M. Onga, M. Tokunaga, T. Nojima, Y. Yanase and Y. Iwasa
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 144
Pages: 144-149
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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