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2019 Fiscal Year Annual Research Report

イオントロニクスを用いたエキゾチック超伝導の研究

Research Project

Project/Area Number 17J08941
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

中川 裕治  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords2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 / BCS-BECクロスオーバー
Outline of Annual Research Achievements

原子が平面状に並んだ結晶構造を持つ物質は2次元物質と呼ばれ、近年最も注目されている物質群の1つである。電圧を介して性質を制御することができ、スイッチング素材として有望なだけでなく、物性科学を追究する理想的な舞台となっている。
本研究では2次元物質に属する塩化窒化ジルコニウムにおいて、電気抵抗が消失する超伝導現象を、電圧によって制御することに成功した。その変化を詳細に調べることにより、本研究の観測結果は物性物理の範疇を超えて、より一般的な物理現象として重要であることも明らかにした。
超伝導現象を制御するためには強力な手法が必要であり、本研究では「イオントロニクス」の技術を用いた。電解液を物質に滴下し、電圧によって液中のイオンを物質に作用させる手法である。イオンを物質に挿入することで、物性が劇的に変化することが知られている。これは化学的な反応を用いて行うことも可能であるが、イオン量を正確にコントロールすることが困難であった。本研究では電圧による制御を最適化することで、これまで調べることができなかった領域を実現した。
さらにトンネル分光測定を行うことで、この超伝導体の性質をより詳細に調べた。その結果、今回達成された領域では超伝導が強結合なものであることが明らかになった。従来の超伝導はBCS理論と呼ばれる理論で説明される弱結合なものであり、電子が「フェルミ粒子」として振る舞っている。一方で、今回観測された超伝導はBCS理論ではなく、むしろボース・アインシュタイン凝縮(BEC)で記述されるものであることがわかった。すなわち、電子は「ボース粒子」として捉えることができる。このような変化は「BCS-BECクロスオーバー」と呼ばれ、原子気体や中性子星にも見られている普遍的な現象である。電圧による制御が可能な2次元物質中における実現は、この現象に対する研究の発展に資するものである。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (3 results)

All 2019

All Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Presentation] 層状窒化物におけるゲート誘起超低キャリア密度超伝導2019

    • Author(s)
      中川裕治, 笠原裕一, 田中将嗣, 山中昭司, 岩佐義宏
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [Presentation] Gate-controlled two-dimensional superconductors approaching BCS-BEC crossover2019

    • Author(s)
      Y. Nakagawa, Y. Saito, T. Nojima, K. Inumaru, S. Yamanaka, Y. Kasahara, Y. Iwasa
    • Organizer
      The 11th annual Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Approaching BCS-BEC crossover in gate-controlled 2D superconductors2019

    • Author(s)
      Y. Nakagawa, Y. Saito, T. Nojima, K. Inumaru, S. Yamanaka, Y. Kasahara, Y. Iwasa
    • Organizer
      Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS2019)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-01-27  

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