Detection of Meissner effect of surface-superstructure superconductivity by UHV-SQUID

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02108
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 長谷川 修司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00228446)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: SQUID / 原子層超伝導 / マイスナー効果

Outline of Annual Research Achievements

既存の超低温・磁場印加型４端子プローブ装置にSQUID機構を組み込み、電気伝導測定と磁気測定を超高真空下で同時に行うことの出来る装置へと拡張することを目的とする。これまでに装置設計のため、磁束分布シミュレーションを行い、測定されるシグナルおよび形状誤差から来るオフセットを見積もった。計算結果から形状誤差のオフセットを正確に除去する必要があることが分かった。オフセットを除去する手法として、超伝導体の反磁性を利用してピックアップコイルに直接オフセット分の逆磁場を印加して打ち消す手法が知られており、この手法であればシグナル/オフセット比を調整することが出来るため、我々も同様の機構を導入することとした。当初想定していた超伝導量子干渉計 (SQUID)のみ使用した磁気測定システムではオフセット調節に必要なダイナミックレンジが足りないため、Hall素子との併用を考案・設計した。その後、SQUIDおよびHall素子の極低温下(~4.2 K)での動作テストと磁気測定システム(オフセット調節機構・磁気シールド・ピックアップコイル用ボビン・シグナルケーブル等)の製作を完了した。さらに、作製した磁気測定システムを超低温・磁場印加型４端子プローブ装置に導入し、測定を行った。現在、オフセット調節機構の動作テストを行い、さらにNbTiやPbの薄膜(バルク超伝導体)を試料として用い、温度および磁場をそれぞれ変化させることで臨界温度・臨界磁場での超伝導転移の観測を行っている。今後、上記の実験により磁気測定システムが運用可能であることを確認した後に、2次元超伝導試料を作製し、in-situで磁気測定および電気伝導測定を行う。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

SQUIDで測定できる磁束量のダイナミックレンジが極めて狭いため、オフセット磁束をキャンセルする精度を極めて高くする必要があり、その実現に手こずっている。SQUIDとともにホール効果素子による磁場測定を併用することによって、この高精度でのキャンセルを実現できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

オフセット磁束を除去する手法として、超伝導体の反磁性を利用してピックアップコイルに直接オフセット分の逆磁場を印加して打ち消す手法が知られており、この手法であればシグナル/オフセット比を調整することが出来るため、我々も同様の機構を導入することとした。当初想定していた超伝導量子干渉計 (SQUID)のみ使用した磁気測定システムではオフセット調節に必要なダイナミックレンジが足りないため、Hall素子との併用を考案・設計して実験を継続している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Inst of Automation & Control/Far Eastern Federal University/Tomsk State University(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: Inst of Automation & Control/Far Eastern Federal University/Tomsk State University
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] Univ of Illinois at Urbana-Champaign/Lawrence Berkeley National Laboratory/Georgia Institute of Technology(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Univ of Illinois at Urbana-Champaign/Lawrence Berkeley National Laboratory/Georgia Institute of Technology
• [Int'l Joint Research] National Taiwan University/Academia Sinica(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: National Taiwan University/Academia Sinica
• [Int'l Joint Research] Donostia International Physics Center(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: Donostia International Physics Center
• [Journal Article] Superconductivity in thallium double atomic layer and transition into an insulating phase intermediated by a quantum metal state (2017)
  • Author(s): Ichinokura S、Bondarenko L V、Tupchaya A Y、Gruznev D V、Zotov A V、Saranin A A、Hasegawa S
  • Journal Title: 2D Materials Volume: 4 Pages: 025020～025020
  • DOI: 10.1088/2053-1583/aa57f9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous Rashba Effect of Bi Thin Film Studied by Spin-Resolved ARPES (2017)
  • Author(s): Takayama Akari
  • Journal Title: Modern Technologies for Creating the Thin-Film Systems and Coatings Volume: 1 Pages: 77～100
  • DOI: 10.5772/66278
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a Convenient in situ UHV Scanning Tunneling Potentiometry System Using a Tip Holder Equipped with Current-Injection Wires (2016)
  • Author(s): T. Nakamura, R. Yoshino, R. Hobara,S. Hasegawa, and T. Hirahara
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 14 Pages: 216～224
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2016.216
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In situ 電気伝導測定によるRashba 型表面構造（Tl, Pb)/Si(111)の超伝導の観測 (2016)
  • Author(s): 一ノ倉聖, 保原麗, 高山あかり, 長谷川修司, Andrey V. MATETSKIY, Leonid V. BONDARENKO, Alexandra Y. TUPCHAYA, Dimitry V. GRUZNEV, Andrey V. ZOTOV, Alexander A. SARANIN
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 37 Pages: 363～368
  • DOI: 10.1380/jsssj.37.363
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 学会の国際化 (2016)
  • Author(s): 長谷川修司
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 37 Pages: 415
  • DOI: 10.1380/jsssj.37.415
  • Open Access
• [Presentation] Parity-Brokn Monatomic-Layer Superconductors (2017)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: APCTP-Quantum Materials Symposium 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parity-Brokn Monatomic-Layer Superconductors (2017)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: 2017中華民国物理年会 Taiwan-AVS Symposium on Frontiers of 2D Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ラシュバ超伝導 (2017)
  • Author(s): 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会合同シンポジウム『原子層関連物質における2次元超伝導現象』
  • Invited
• [Presentation] Si(111)-√3×√3-Bi上に成長したトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜へのLiドーピング効果 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 鎮西弘毅, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] in situ独立4探針STMを用いたSrTiO3表面への水素照射の影響評価 (2017)
  • Author(s): 武内康範, 秋山了太, 保原麗, 一ノ倉聖, 湯川龍, 松田巌, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] 単原子層超伝導体Si(111)-√3×√3-(Tl, Pb)における非BCS的超伝導の観測 (2017)
  • Author(s): 中村友謙, Kim Howon, 一ノ倉聖, 高山あかり, 秋山了太, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川幸雄, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] 全反射高速陽電子回折法によるSiC上のLiインターカレーション2層グラフェンの構造解析 (2017)
  • Author(s): 遠藤由大, 望月出海, 深谷有喜, 高山あかり, 兵頭俊夫, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] STM・ARPESによる(Pb,Bi)/Si(111)の構造および電子状態 (2017)
  • Author(s): 高山あかり, 中村友謙, A. Y. Tupchaya, L. V. Bondarenko, D. V. Gruznev, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合II：磁化特性 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 奥山裕磨, 高木康多, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 横山利彦, 長谷川修司, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] Low-Dimensionality, Symmetry Breaking, and Topology on Surfaces (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: 2016 IBS Conference -Surface Atomic Wires-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Atomic-Layer Superconductors (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Symmetry-Broken Monolayer Superconductors (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: The 10th International Workshop on LEEM/PEEM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superconductivity and Spin Current at Surface States (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: Workshop at the Research Center Julich on Charge transport at surfaces and nanostructures with multi-probe techniques
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superconducting Properties of Tl Double Atomic Layer on Si(111) (2016)
  • Author(s): S. Ichinokura
  • Organizer: The 2nd Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces and Crsoo-Strait Symposium on Solid Surfaces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parity-Broken Monatomic-Layer Superconductors (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: Workshop of ENS-UTokyo
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parity-Broken Atomic-Layer Superconductors (2016)
  • Author(s): S. Hasegawa
  • Organizer: MPI-UBC-UTokyo Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optical-Helicity-dependent Photocurrent in Strong Spin-Orbit Coupling Thin Films Grown on Si Subatre (2016)
  • Author(s): D. Fan , H. Ishihara, R. Akiyama, R. Hobara, A. Takayama and S. Hasegawa
  • Organizer: The 2nd Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces and Crsoo-Strait Symposium on Solid Surfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport properties of bilayer graphene studied by in situ four-point probe resistance measurements (2016)
  • Author(s): Y. Endo, S. Ichinokura, K. Suzuki, K. Sugawara, R. Akiyama, A. Takayama, T. Takahashi, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic Properties of Pb/Ge(111) studied by ARPES and transport measurements (2016)
  • Author(s): A. Takayama, Y. Endo, D.Fan, M. Imamura, K. Takahashi, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the Shubnikov-de Haas oscillation in topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 flakes (2016)
  • Author(s): R. Akiyama, K. Sumida, S. Ichinokura, A. Kimura, K. Kokh, O. Tereshchenko, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] STS measurememts of monatomic-layer superconductor, Tl-Pb compound on Si(111) (2016)
  • Author(s): T. Nakayama, H. Kim, S. Ichinokura, A. Takayama, R. Akiyama, A. A. Saranin, A. V. Zotov, Y. Hasegawa, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Helicity-dependent photovoltaic effect on Bi and Bi/Ag thin films (2016)
  • Author(s): D. Fan, H. Ishihara, R. Akiyama, R. Hobara, A. Takayama, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical resistance across atomic steps on topological insulator Pb-doped Bi2Te3 surface (2016)
  • Author(s): N. Fukui, R. Hobara, A. Takayama, R. Akiyama, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconductivity in Ca-intercalated Bilayer Graphene (2016)
  • Author(s): S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, S. Hasegawa
  • Organizer: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子層二次元物質の超伝導 (2016)
  • Author(s): 長谷川修司
  • Organizer: （公財）科学技術交流財団「次世代デバイス実現に向けた先端二次元物質の物理と化学」第１回研究会
  • Invited
• [Presentation] パリティの破れた原子層超伝導 (2016)
  • Author(s): 長谷川修司
  • Organizer: 物性研短期究会「走査トンネル顕微鏡による物性研究の現状と展望 」
  • Invited
• [Presentation] 走査トンネル分光測定による表面超構?(Tl,Pb)/Si(111)における超伝導の観測 (2016)
  • Author(s): 中村友謙, H. Kim, , 一ノ倉聖, 高山あかり, 秋山了太 , A. V. Matetskiy, A. Z. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川幸雄、長谷川修司
  • Organizer: 2016真空・表面科学合同講演会
• [Presentation] Pb/Ge(111)超薄膜における電子構造および輸送特性の膜厚依存性 (2016)
  • Author(s): 高山あかり, 遠藤由大, Fan Di, 今村真幸, 高橋和敏, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] Si(111)-1x1-Tl表面上に作製したTl単原子層における超伝導 (2016)
  • Author(s): 一ノ倉聖, Leonid V. Bondarenko, Alexandra Y. Tupchaya, Dimitry V. Gruznev, Andrey V. Zotov, Alexander A. Saranin, 秋山了太, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] In situ 極低温四端子電気伝導測定によるSiC上2層グラフェンの量子輸送特性 (2016)
  • Author(s): 遠藤由大, 一ノ倉聖, 鈴木克郷, 菅原克明, 秋山了太, 高山あかり, 高橋隆, 長谷川修司, 野村健太郎
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] 純スピン流生成プローブの開発 (2016)
  • Author(s): 保原麗, 秋山了太, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Book] 科学の技法 (2017)
  • Author(s): 東京大学教養教育高度化機構初年次教育部門、増田 建、坂口 菊恵編, 長谷川修司他著
  • Total Pages: 240
  • Publisher: 東京大学出版会
  • ISBN: 978-4-13-062318-6
• [Remarks] 長谷川研究室
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/