2019 Fiscal Year Annual Research Report
Concerted research in physics of anomalous phenomena around metal-insulator transition and development of neuromorphic devices
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18H03686
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
井上 公 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00356502)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 浩之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00415762)
渋谷 圭介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00564949)
矢嶋 赳彬 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10644346)
浅沼 周太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30409635)
押川 正毅 東京大学, 物性研究所, 教授 (50262043)
白川 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 総括研究主幹 (60357241)
富岡 泰秀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60357572)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 強誘電量子臨界点 / 超伝導 / チタン酸ストロンチウム / 電界効果トランジスタ / 近藤効果 / ニューロモルフィック / 人工ニューロン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SrTiO3はTiあたりわずか0.000001個の電子ドープで絶縁体金属転移を起こし、異常なほどに低いキャリア濃度 (Tiサイトあたりわずか0.0001個) で超伝導転移します。こんなに希薄な電子濃度でなぜ超伝導に必要な電子対(クーパー対)ができるのでしょう？さらに電子ドープして通常の超伝導体のキャリア濃度にすると超伝導が消失するのも驚きです。このメカニズムは50年以上も解明されていません。本研究ではSrTiO3が強誘電量子臨界点近傍の物質であることに目をつけて、La置換で電子ドープしたSrTiO3バルク単結晶の酸素をその同位体と置換する研究を行い予想通りに超伝導転移を増大させることに成功しましたが、本年度はさらにNb置換による電子ドープを行ったところ酸素同位体置換しなくても高い超伝導転移温度が観測されることを見出しました。この系の超伝導研究に一石を投じる研究成果となりました。そのSrTiO3の表面では、空間反転対称性が破れるためスピン軌道相互作用が増大します。そこに電場印加すると２次元金属が生じ、近藤効果と異常ホール効果を示すことを本研究ではこれまでに発見しています。さらにそのSrTiO3でFET素子を作製すると、ゲート入力のパルス電場の幅と周波数に応じてチャネル伝導度がリーク付積分型で変化することを発見しました。まさにニューロン的な動作です。本年度はこの現象の理解のために酸素欠損のdriftとdiffusionを考慮したモデルで現象を説明できるかのシミュレーションを行い、大きな誘電率が鍵となることを見出しました。素子動作のパラメータを抽出することは、新しいニューロン動作の開発に繋がる大きな一歩です。本研究はこのように物性物理の基礎研究を推し進めながら、成果をニューロモルフィック素子研究にフィードバックさせることを目的としており、本年度も着実な成果を得ることができました。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SrTiO3の超伝導には強誘電転移の量子臨界点が重要な要素だという研究結果をこれまでに得ることができました。そこで本年度はSrのLa置換ではなくTiのNb置換による電子ドープを試みました。超伝導転移温度Tcは電子濃度に対してドーム型になり、最大Tcは0.6K近くで、La置換試料に酸素同位体置換で強誘電性を増したときのTcとほぼ同じです。Nb置換のみでなぜTcが高いのか、強誘電と超伝導の関係について再検証を迫る興味深い成果となりました。SrTiO3 FETの２次元電子系が30K以下の低温で磁場依存しない特異な近藤効果を示すことを本研究では観測していますが、本年度はこれを「強誘電量子臨界点近傍でのスクリーニングの変化が原因ではないか」と仮定し、議論を行いましたが、残念ながら確証は得るまでには至りませんでした。来年度も引き続き検証します。このFETは室温でも興味深い性質を示します。ゲート電場の印加履歴に応じて、FETの閾値が変化するのです。これを利用すると、非現実的サイズのコンデンサ(時定数が0.1秒ならば10cm角ほど)を用いずに、人工ニューロンの要素回路が作製できます。脳型計算機開発にとって革命的な素子になります。本年度はこのFETで簡単な電子回路を構築する研究を行いましたが、素子特性のモデルがないと制御がうまくいきませんでした、そこで計画を変更して、素子特性モデルの構築に取り組みました。その結果、SrTiO3のバルクにおける酸素欠損の電場ドリフトと、濃度変化に伴う拡散、さらに大きな誘電率が閾値の変化をもたらしていると仮定したモデルが、実際に観測された電流電圧特性を最も良く説明することがわかりました。定常パルスによるシミュレーションも観測データと非常によく一致することがわかりました。来年度の研究につながる良い成果が得られました。
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| Strategy for Future Research Activity |
NbドープしたSrTiO3単結晶のSrをCaで置換します。必要であれば酸素を同位体置換することにも並行して試みます。Nbドープしていなければ、Ca置換でも酸素同位体置換でも同様に強誘電転移が出現することは報告されていますが、Nbドープして超伝導が出現するような金属状態だと伝導電子による遮蔽があるので、強誘電転移が起こったとしても分極は観測されません。しかし空間反転対称性の破れなどの隠れた強誘電秩序が存在しているのではないかと我々は考えており、その隠れた秩序が形成される量子臨界点で超伝導が増強されるのではないかという仮説を立てています。そこで本年度は、光学的第二高調波発生(SHG)の観測などの手法を用いて、この仮説の実験的検証を行います。SrTiO3 FETに関しては、ゲート印加でSrTiO3表面を２次元金属化し、近藤効果・磁気抵抗・ホール効果のゲート電圧・角度・磁場・温度依存性を精密に測定する研究を行い、強誘電量子臨界効果と、近藤効果との関係を明らかにすることを目標にします。SrTiO3 FETの電流電圧特性の時間変化やパルス応答のデータを、SrTiO3バルク中での酸素欠損のドリフトと拡散を考慮したモデルで説明できることがわかったので、今年度は、これをさらに検証するために、ゲート印加のパルス幅やパルス間隔を系統的に変化させながらドレイン電流とゲート電圧の関係を、より細かく測定します。さらに小規模回路をシミュレーションするためのモデルを構築し、そのモデルに基づいて、FPGAなどを用いた仮想配線を施して、小規模なニューラルネットワークの電子回路を作製することにも挑戦します。回路構成によってニューロン発火の連鎖がパターン化（アトラクタ形成）するのかどうか、基礎的なデータを収集します。
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