2018 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum interference effect on the surface of topological insulators
| Project/Area Number |
18H01155
|
|---|
| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
|---|
Principal Investigator |
川村 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 専任研究員 (60391926)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 微細加工 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、トポロジカル絶縁体表面状態の電気伝導特性に現れる量子干渉効果を測定し、トポロジカル表面状態における電子波動関数の幾何学的位相を直接捉えることである。バルク試料および剥離試料を用いた先行研究では、フェルミエネルギーの詳細な調整が困難であり、試料中にバルク状態と表面状態が混在した状況での研究が行われてきた。本研究では、分子線エピタキシー法により成長した高品質３次元トポロジカル絶縁体(Bi,Sb)2Te3薄膜を用いて量子干渉効果の実験をおこなう。Bi/Sb比を調整することで、フェルミエネルギーがバルク状態のエネルギーギャップ内に存在する試料を用いて実験を行うことができる。さらにゲート電極を用いてフェルミエネルギーを詳細に調整することで、位相干渉長のフェルミエネルギー依存性を調べることができる。。
干渉効果を測定するために、(Bi,Sb)2Te3薄膜試料から直径1 マイクロメートル程度のリング形状の試料を切り出す微細加工プロセスを確立した。当初計画では、酸性エッチング液によるウェットエッチングを想定していたが、実験してみると、膜面方向のエッチング速度が速く、微細なパターンをうまく切り出すことができなかった。そこでアルゴンイオンミリングによるドライエッチングをおこなったところ、線幅100 nm程度の細線を切り出すことができた。アルゴンイオン打ち込みをおこなった結果、室温では基板の一部が伝導的になったが、液体ヘリウム温度まで冷却すると、基板を介した伝導の影響はほとんどないことが分かった。希釈冷凍機を用いて試料を冷却し、磁場を印加してアハロノフ‐ボーム効果の観測を試みたが、これまでのところ、リング形状に対応する磁気抵抗振動は観測されていない。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
薄膜試料作製およびフェルミエネルギー調整が順調に進み、ゲート電圧を加えることなく、フェルミエネルギーをバルク状態のエネルギーギャップ内に調整することができるようになっている。微細加工は当初計画したウェットエッチングによる方法はうまくいかなかったが、代わりにアルゴンイオンミリングによるドライエッチングによる微細加工ができるようになった。トポロジカル絶縁体薄膜を用いたサブマイクロメートルの試料が安定して作製できるようになった。低温での測定は当初計画よりも遅れているが、試料作製プロセスを確立したことにより、今後は測定の方へ注力して推進していく。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまで測定したリング形状の試料では、アハロノフ‐ボーム効果に対応する磁気抵抗振動を観測することができなかった。現時点で原因を特定することはでいていないが、位相干渉長が試料サイズよりも短い可能性がある。反弱局在による磁気抵抗の解析を併用し、試料の位相干渉長を求める実験を行う。試料サイズを小さくする、あるいは細線試料を周回する干渉経路を用いる等の対策も検討しながら研究を推進していく。
|
