2017 Fiscal Year Annual Research Report

空間反転対称性が破れた半導体表面に創成されるハイブリッド単原子層物理

Research Project

Project/Area Number	16H03998
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	枡富龍一東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00397027)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	二次元超伝導 / ラッシュバスピン軌道相互作用
Outline of Annual Research Achievements	2017年度は鉛とアンチモンから構成されるハイブリッドラッシュバ単原子層膜を作成し、半導体劈開表面に創成される空間反転対称性の破れに起因する新奇な物理現象を探索するため、磁場中での電気抵抗測定を行った。面内磁場中での上部臨界磁場の温度依存性の測定において鋭い立ち上がり（キンク）が観測された。この振舞いを説明するために、層に依存したラッシュバスピン軌道相互作用をもつ多層系の超伝導状態をBogoliubov-de Gennes方程式を数値的に解く手法により求めた（数値計算に関しては京大理の柳瀬氏にして頂いた）。この数値計算の結果から高磁場・低温領域での急激な立ち上がりは、超伝導秩序変数の振幅と位相の両方が変調する（磁場誘起による）複素ストライプ相から独立した層の振舞いであるヘリカル相へのクロスオーバーに起因していることがわかった。この研究成果はヘリカル相および複素ストライプ相の存在を示す初めての実験的証拠を提示するだけに留まらず、空間反転対称性の破れにより引き起こされる非従来型超伝導を研究する新たな舞台を提供すると考えられる。さらにこれらの新奇な超伝導状態の存在を決定づけるには走査トンネル分光顕微鏡による超伝導秩序変数の可視化が必須であると考えられる。上述に電気伝導測定と並行して極低温で使用可能な走査トンネル分光顕微鏡および試料作成用の超高真空チャンバーの整備も行った。この装置が完成するとハイブリッドラッシュバ単原子層膜を作成したその場での電気伝導測定と走査トンネル分光顕微鏡を組み合わせ測定を可能になる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2017年度の研究において鉛とアンチモンから構成されるハイブリッドラッシュバ単原子層膜を作成することによって、半導体劈開表面に超伝導秩序変数の大きさと位相の両方が変調する複素ストライプ相や超伝導秩序変数の位相のみが変調するヘリカル相という非BCS超伝導状態が実現することが分かった。このことは既存の2次元超伝導体の物理の大きく進展させるものであり、本研究における特出した結果であると言える。しかしながら、この結果は今のところ磁場中での電気伝導測定と理論計算との比較から導かれるものであり、超伝導秩序変数の空間変調を直接観測したものではない。したがって、現在、走査トンネル分光顕微鏡を用いた超伝導秩序変数の観測を目指して測定装置を整備中である。来年度にはその場での電気伝導測定と走査トンネル分光顕微鏡を組み合わせ測定が可能になることから、本研究はおおむね順調に進展していると考えられる。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究の推進方法としては、電気伝導測定と走査トンネル分光顕微鏡を組み合わせ装置を用いて、空間反転対称性が破れたラッシュバ単原子層超伝導体とこのラッシュバ単原子層超伝導体を2層もしくは3層用いた多層系について詳細な測定を行う。ラッシュバスピン軌道相互作用によりフェルミ面がスピンの方向に依存して分裂したこれらの系に、平行磁場を印加すると、重心運動量をもったクーパー対が出現するため超伝度秩序変数の実空間での周期的な変調が期待される。走査トンネル分光顕微鏡を用いて局所状態密度を測定することにより、これらの超伝導秩序変数の空間変調の観測を目指す。この様な重心運動量をもつクーパー対が引き起こす超伝導秩序変数の変調はいまだに観測されておらず、革新的な成果に繋がることが期待される。さらに、ラッシュバ単原子層超伝導体を用いた多層体ではスピン軌道相互作用と軌道効果の競合（吊り合い）によりクーパーペア密度波相というトポロジカル超伝導状態が出現することが理論的に予想されている。スペーサー層の種類や膜厚や制御することにより、この相の実現を目指す。測定としては面内磁場下での上部臨界磁場の温度依存性から重要な情報を得られると考えられるため、引き続き電気伝導測定も実施する。来年度は本助成金による研究の最終年度になるため国際学会等による研究成果の積極的な発進と学術誌への投稿も行う予定である。