2018 Fiscal Year Research-status Report
Exploration of Metastable Quantum Phases in Two-Dimensional Materials
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18K13511
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
吉田 将郎 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, 特別研究員 (60802957)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電流誘起相転移 / 非線形伝導 / 準安定超伝導 / 電荷密度波 / スライディング / 雑音測定 / 2次元物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2次元物質を舞台に準安定量子相を探索、探究することが、本研究課題である。具体的な目標は、(1) 薄膜化により準安定電子相を誘起すること、および(2) 外場、特に電場を印加して準安定電子相を誘起する電流誘起相転移の全貌を明らかにすることである。
まず (1) について、層状物質 1T 型テルル化イリジウム（IrTe2）を超薄膜（膜厚100 nm未満）にすることで、準安定超伝導を誘起することに成功した。IrTe2は、冷却すると、室温付近で通常金属から電荷秩序状態への一次相転移を示す。バルク結晶の研究によれば、この一次相転移を抑制すると、超伝導が現れる。膜厚の減少とともに一次相転移のキネティクスが遅くなり、一次相転移は回避されやすくなるから、IrTe2は薄膜にしただけで超伝導になりうる。すると果たして、測定したすべてのIrTe2薄膜は、低温でゼロ抵抗の超伝導状態へ転移した。ここで改めて、IrTe2バルク結晶が超伝導物質ではないことを強調したい。薄膜化誘起超伝導の発見である。
また (2) については、電圧雑音測定を行い、層状物質 1T 型硫化タンタル（TaS2）超薄膜における電流誘起相転移の機構、および誘起される準安定電荷密度波（CDW）相の性質に関して、新しい知見を得た。具体的には、準安定CDW相が誘起される閾値電場以上において、持続的な広帯域雑音を観測した。閾値電場以上の電場を印加すると、格子との整合性を有する CDW がスライディングを開始し、準安定 CDW 相が誘起されると考えられる。意外にも、従来研究されてきた不整合 CDW のスライディングとは異なり、電流を増加させても広帯域雑音強度が減少しなかった。これは CDW の整合性を反映している。電場を増加させると、2次元 CDW シートが格子からデピニングされ、準安定で、整合性を有する新たな積層構造に再配置されると考えられる。
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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
薄膜化誘起準安定超伝導の発見は、まさに計画通り達成された。本発見により、これまで研究代表者が追究してきた、薄膜化によって一次相転移のキネティクスを遅くなるという仮説が、より普遍性を持つようになったといえる。
一方、電流誘起相転移については、雑音測定を行うことで、期待以上の結果が得られた。というのも、観測された広帯域雑音の特異な電流依存性は、従来研究されてきた不整合電荷密度波（CDW）に関する常識とは、ずいぶん異なるからである。CDW 研究は半世紀以上の歴史を有し、ほとんど調べ尽くされたかに見える。しかし本発見は、格子との整合性を有する2次元的 CDW のスライディングという、新しい現象の一端を明らかにしたといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、薄膜化誘起準安定相が一般的な概念になりつつある。今後は、その結晶構造、超構造を明らかにすべく、低温での 2 次元物質デバイスのその場透過型電子顕微鏡観察実験を推進する。
また、電流誘起相転移については、雑音測定により特異な CDW ダイナミクスが明らかになった。本測定を通して、準安定相への転移に関して、雑音測定が抵抗測定よりずっと敏感なツールであることが分かった。今回扱った物質 1T-TaS2 の姉妹物質である 1T-Ta(S,Se)2 についても同様の雑音測定を行うことで、電流誘起準安定相の存在条件なども議論したい。また、電流誘起相転移に関するその場観察研究も進める。
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| Causes of Carryover |
本年度は、進捗が著しかった雑音測定実験に注力したので、その場透過型電子顕微鏡観察実験をあまり推進することが出来なかった。それゆえ、後者の実験に使用予定だった複数装置の導入を次年度に見送ることにした。次年度には、それらの装置の購入をする予定である。
また、今年度に達成された内容は、前述のとおり期待以上である。次年度には、複数の国際会議が国内で開催される。これらの会議は、その進捗を広く知らせる良い機会である。よって次年度には、当初の予定よりも多くの会議で発表する。次年度予算の一部は、その旅費に使用する予定である。
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