Novel magnetic properties of two-dimensional ferromagnetic van der Waals atomic layers

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03877
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 平原 徹 東京工業大学, 理学院, 准教授 (30451818)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 秋山 了太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 物性実験 / 原子層物質 / 高温超伝導

Outline of Annual Research Achievements

2020年度はまず、典型的な2D v-DW強磁性体であると議論されているVSe2のX線磁気円二色性(XMCD)測定を行った。その結果この系で6K、10Tにおいて優位なXMCDの信号を観測することに世界で初めて成功した。しかし磁場をゼロにすると残留磁化は残らず、単層VSe2が6Kでも常磁性的であることが実証できた。しかし詳細な定量的解析を行うことで、この系では長距離磁気秩序は存在しないものの、短距離秩序は残っており強磁性状態に近いことが分かった。
さらに我々が世界に先駆けて開発したトポロジカル絶縁体内部に磁性元素Mnが単原子層埋め込まれているMnBi2Se4に関して引き続き研究を行った。特にこれまではMn層が単一で存在するMnBi2Se4/Bi2Se3ヘテロ構造に注目していたが、Mn層間の磁気的相互作用を明らかにするため、MnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造への展開を行った。角度分解光電子分光(ARPES)を用いた電子状態測定から、サンドイッチ構造では磁性元素挿入による時間反転対称性の破れに由来する表面ディラックコーンギャップ以外にnが小さい場合は表裏のディラックコーンの波動関数の混成に由来する混成ギャップも同時に生じることが分かった。さらに予備的なXMCDから、n=1,2,3のサンドイッチ構造では通常のヘテロ構造に比べてキュリー温度が上昇し、さらに保持力や残留磁化も大きいことが分かった。今後更に多くのnに対して系統的な測定を行うことで、Mn原子層間の磁気的な相互作用の詳細を明らかにしていく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

MnBi2Se4に関しては無事にサンドイッチ構造の作製に成功し、さらに電子状態や磁化特性評価を行うことができた。またVSe2に関しては詳細なXMCD測定によって長距離磁気秩序の欠如および短距離秩序の存在を明らかにし、研究目的の達成に近づいているので、このように判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後はMnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造の電子状態や磁気特性の評価を様々なnに対して行うことで系統的に行っていく。XMCDは元素選択的な手法であり、磁性元素Mnのみならず、非磁性のBiやSeに対しても測定を行うことで層間の磁気的相互作用の詳細を明らかにできると考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Donostia International Physics Center/Centro de Fisica de Materiales(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: Donostia International Physics Center/Centro de Fisica de Materiales
• [Int'l Joint Research] St. Petersberg State University/Tomsk University(ロシア連邦)
  • Country Name: RUSSIA FEDERATION
  • Counterpart Institution: St. Petersberg State University/Tomsk University
• [Journal Article] Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone (2020)
  • Author(s): Hirahara T.、Otrokov M. M.、Sasaki T. T.、Sumida K.、Tomohiro Y.、Kusaka S.、Okuyama Y.、Ichinokura S.、Kobayashi M.、Takeda Y.、Amemiya K.、Shirasawa T.、Ideta S.、Miyamoto K.、Tanaka K.、Kuroda S.、Okuda T.、Hono K.、Eremeev S. V.、Chulkov E. V.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 4821-1~8
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18645-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Scattering of topological surface-state carriers at steps on surfaces (2020)
  • Author(s): Fukui Naoya、Hobara Rei、Takayama Akari、Akiyama Ryota、Hirahara Toru、Hasegawa Shuji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Pages: 115418-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.115418
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interfacial Superconductivity in FeSe Ultrathin Films on <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>SrTiO</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math> Probed by <i>In?Situ</i> Independently Driven Four-Point-Probe Measurements (2020)
  • Author(s): Pedersen Asger K.、Ichinokura Satoru、Tanaka Tomoaki、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: 227002-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.227002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superconducting dome revealed by surface structure dependence in single unit cell FeSe on <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>SrTiO</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>001</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> (2020)
  • Author(s): Tanaka Tomoaki、Akiyama Kenta、Ichinokura Satoru、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 205421-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.205421
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Self-assembled magnetic topological heterostructures (2021)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: Workshop "MnBi2Te4-based magnetic topological insulators"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フリースタンディング2層グラフェンにおけるCaインターカレート誘起超伝導 (2021)
  • Author(s): 遠山晴子, 秋山了太, 佐藤瞬亮, 遠藤由大, 保原麗, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 長谷川修司
  • Organizer: 東京大学低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] BiとTeからなるトポロジカル絶縁体超格子の作製とその電子状態 (2021)
  • Author(s): 日下翔太郎, 佐々木泰祐, Dmitrii Nabok, 角田一樹, 一ノ倉聖, 出田真一郎, 田中清尚, 宝野和博, Irene Aguilera, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 (2021)
  • Author(s): 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 一ノ倉聖, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] LiインターカレートしたSiC上のグラフェンの層数制御によるリフシッツ転移の観測 (2021)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] アルカリ金属蒸着による単原子層h-BNのエネルギーバンドシフト (2021)
  • Author(s): 一ノ倉聖, Hemmi Adrian, 清水亮太, 一杉太郎, Greber Thomas, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体への磁性原子層挿入による磁気拡張 (2021)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 2020年度 極低温研究支援センター研究発表会
• [Presentation] Superconductivity of monolayer FeSe films on SrTiO3 substrates with controlled surface superstructures (2020)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: 28th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM28)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の超伝導研究 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 基研研究会「高温超伝導・非従来型超伝導研究の最前線：多様性と普遍性」
  • Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の超伝導研究 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 物性研究所ワークショップ「ナノスケール物性科学の最先端と新展開」
  • Invited
• [Presentation] 界面を制御した単層FeSe/SrTiO3の高温超伝導特性解明 (2020)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 新学術機能コア 第5回遠隔連携会議
• [Presentation] Li-インターカレーションによる 単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2020
• [Presentation] 強磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造Mn(Bi1-xSbx)2Te4/(Bi1-xSbx)2Te3/ Mn(Bi1-xSbx)2Te4/Si(111)のフェルミ準位制御による電気伝導特性変調 (2020)
  • Author(s): 高城拓也, 秋山了太, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, 遠山晴子, 中西亮介, 樋渡功太, 平原徹, 深澤拓朗, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川修司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 超高真空中での独立駆動4探針電気伝導測定法によるFeSe超薄膜/SrTiO3の界面超伝導の検出 (2020)
  • Author(s): 一ノ倉聖, Pedersen Asger, 田中友晃, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造MnBi2Te4/Bi2Te3の構造、電子状態と磁性 (2020)
  • Author(s): 深澤拓朗, 日下翔太郎, 角田一樹, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 竹田幸治, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] SrTiO3(001)-√13×√13上に作成した単層FeSeの超伝導特性 (2020)
  • Author(s): 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Li-インターカレーションによる単層グラフェン/SiC(0001)の二層化とフラットバンドの占有 (2020)
  • Author(s): 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 豊田雅之, 日下翔太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Book] ポストグラフェン材料の創製と用途開発最前線 (2020)
  • Author(s): 柚原淳司 監修
  • Total Pages: 369
  • Publisher: NTS
• [Remarks] 平原研究室ホームページ
  • URL: https://www.hiraharalab-phys-titech.com/