2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17J08941
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中川 裕治 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | ２次元物質 / 超伝導 / イオントロニクス / イオンゲート法 / トンネル分光 / 層状物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２次元物質と呼ばれる物質群において、他の系では見られない結晶構造・電子構造や、特異な量子相が続々と報告されている。これらに対してイオンゲート法を適用し、物性解明や新規量子相の開拓を行うことが本研究の目的である。
イオンゲート法は、試料に電解液を滴下してゲート電圧を印加する手法である。電解液に含まれるイオンが試料に対して様々に働きかけることで、試料の物性が制御される。本年度は、イオンを層間に挿入するインターカレーション動作を用いることで、非従来型超伝導体である２次元物質、層状窒化物（塩化窒化ジルコニウムZrNCl及び塩化窒化ハフニウムHfNCl）の物性研究、特に相図の解明を行った。
イオンゲート法によるインターカレーション動作は、単結晶試料への適用と、ゲート電圧を介したドープ量制御を可能にする。従来のインターカレーション手法にはなかった利点である。これらを生かして、先行研究におけるZrNClのドープ量相図を再現するだけでなく、未だ報告されていなかったHfNClの低ドープ領域を実現することに成功した。転移温度は25 Kまで上昇し、このような低ドープ領域における転移温度の特異な上昇が、層状窒化物に共通の性質であることを明らかにした。
単結晶を用いることによって、精確な異方性の測定や、良質なトンネル接合の作製及びトンネル分光測定にも成功した。低ドープ領域における超伝導は、より２次元的な超伝導であり、かつ強結合超伝導になっているということを示し、ドープ量の減少に伴う転移温度上昇という他に見られない現象に伴う変化を明らかにした。
低ドープ領域で高い転移温度を示すというのは、従来のBCS超伝導の枠組みを超え、BEC超伝導と呼ばれる領域を目指す上で格好の性質である。HfNClの超伝導はBEC領域に近い超伝導の１つであるということがわかり、今後はそれに由来する物性が現れることが期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は層状窒化物における超伝導を研究対象とし、イオンゲート法の特長を生かした実験によって、ドープ量相図の解明に成功した。特に塩化窒化ハフニウムHfNClにおいて、他の手法では到達できなかった低ドープ領域を実現し、計画通りの進展が得られた。
物性をより詳らかにするためのトンネル分光測定は、当初の計画では絶縁物質との積層構造を用いて行うことになっていた。しかし絶縁層無しでも同等の測定が可能であることが明らかになり、試料準備の点で大きなアドバンテージとなった。測定及び解析に多くの時間を割くことができ、低ドープ領域における強結合化等、多くの知見が得られた。
一方で、積層構造を作製する準備も順調に進んでおり、次年度以降の実験に大いに活用できると考えられる。以上のように本研究は、当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオンゲート法によって実現される層状窒化物の低ドープ領域は、依然として金属的な挙動を示している。さらなる低ドープ領域が実現されれば、より高い転移温度が得られると期待される。イオンゲート法の適用温度、使用する電解液等を見直すことで、より低いドープ領域の実現を目指す。
遷移金属ダイカルコゲナイドにおいては、界面やカイラルチューブ構造といった反転対称の破れた系においても超伝導が報告されており、これらもイオンゲート法によって実現されている。積層構造作製装置によってトンネル接合を作製し、トンネル分光測定を行うことで、反転対称性の破れに起因した超伝導物性の観測を目指す。
その他にも、層状の遷移金属炭化物、遷移金属ペンタカルコゲナイドのような物質に対してもイオンゲート法によるキャリア制御を適用することで、新奇量子相の探索を行う。
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