Fabrication of graphene/graphene-nanoribbon superconductors

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K18986
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: グラフェン / グラフェンナノリボン / 超伝導 / ARPES

Outline of Annual Research Achievements

本申請研究では、世界的に行われていないグラフェン超伝導体およびグラフェンナノリボン超伝導体を実現するための金属被覆グラフェン・グラフェンナノリボンを作製し、申請者が得意とする材料の電子状態を直接観測することが可能なARPESを行うことで、それらの超伝導発現機構を解明することが目的である。
本年度は、昨年度整備したグラフェン超伝導体およびグラフェンナノリボン超伝導体開発を行った。まず、グラフェン超伝導体に関しては、SiC上に作製した単層グラフェンにカリウム(K)原子を８０K程度の低温で蒸着することで、2X2の超周期構造の観測に成功した。この構造はグラファイト層間化合物(GICs)において超伝導を示すC8Kと呼ばれるバルク体が有する超周期構造と類似している。そこで、その電子状態を明らかにする目的で、高分解能ARPESを行ったところ、2X2の超周期構造によって変調を受けたディラック電子状態のみならず新たな自由電子的な２次元電子ガスの観測に成功した。この電子状態は、GICsに置いて超伝導を発現する上で重要な自由電子状態の可能性があり、興味深いことにその電子状態がフェルミ準位近傍で、ディラック電子状態と混成している可能性を見出した。すなわち上記の結果は、ディラック電子および自由電子状態の混合状態下で超伝導が発現している可能性が期待できる。
また、グラフェンナノリボン超伝導体に関しては、SiC基板のステップ構造を利用して作製を引き続き進めており、高品質なグラフェンナノリボンおよびその超伝導化を実現可能な状況にある。今後も、グラフェンに関する超伝導研究を強力に進めていく。

Research Products

• [Journal Article] Anomalous Hall effect at the spontaneously electron-doped polar surface of PdCoO2 ultrathin films (2020)
  • Author(s): T. Harada, K. Sugawara, K. Fujiwara, M. Kitamura, S. Ito, T. Nojima, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, T. Sato, and A. Tsukazaki
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 013282
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.013282
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by toporogical proximity effect (2020)
  • Author(s): C. X. Trang, N. Shimamura, K. Nakayama, S. Souma, K. Sugawara, I. Watanabe, K. Yamauchi, T. Oguchi, K. Segawa, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 159
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-13946-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dichotomy of superconductivity between monolayer FeS and FeSe (2019)
  • Author(s): K. Shigekawa, K. Nakayama, M. Kuno, G. N. Phan, K. Owada, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 116 Pages: 24470-24474
  • DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1912836116
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure of Bi2Te3/FeTe heterostructure: Implications for unconventional superconductivity (2019)
  • Author(s): K. Owada, K. Nakayama, R. Tsubono, K. Shigekawa, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Pages: 064518
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.064518
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dimensionality reduction and band quantization induced by potassium intercalation in 1T-HfTe2 (2019)
  • Author(s): Y. Nakata, K. Sugawara, A. Chainani, K. Yamauchi, K. Nakayama, S. Souma, P. -Y. Chuang, C. -M. Cheng, T. Oguchi, K. Ueno, T. Takahashi, and T. Sato
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 3 Pages: 064518
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.071001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monolayer VTe2: Incommensurate Fermi-Surface Nesting and Suppression of Charge Density Wave (2019)
  • Author(s): K. Sugawara, Y. Nakata, K. Fujii, K. Nakayama, S. Souma, T. Takahashi, and T. Sato,
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 241404
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.241404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vortex-induced quantum metallicity in mono-unit-layer superconductor NbSe2 (2019)
  • Author(s): S. Ichinokura, Y. Nakata, K. Sugawara, Y. Endo, A. Takayama, T. Takahashi, and S. Hasegawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 220501
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.220501
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 原子層TiSe2-xの高分解能ARPES (2020)
  • Author(s): 菅原克明, 中田優樹, 川上竜平, 佐藤匠, 田口大樹, 加藤剛臣, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2020年年次大会
• [Presentation] Electronic structure of monolayer VTe2 film studed by ARPES (2020)
  • Author(s): K. Sugawara, Y. Nakata, K. Fujii, K. Nakayama, Seigo Souma, T. Takahashi, and T. Sato
  • Organizer: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-resolution ARPES studies of atomic-layer TMDs controlled crystal structure (2019)
  • Author(s): K. Sugawara
  • Organizer: Carrier doping in two-dimensional layered materials、Centro Congressi Federico II
  • Invited
• [Presentation] Electronic structure of atomic-layer VSe2 studied by ARPES (2019)
  • Author(s): K. Sugawara, Y. Umemoto, Y. Nakata, T. Takahashi, and T. Sato
  • Organizer: Recent Progress in Graphene Research 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] VX2(X=Se, Te)原子層薄膜のCDW相転移：高分解能ARPES (2019)
  • Author(s): 菅原克明, 中田優樹, 藤井和樹, 中山耕輔, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Book] グラフェンから広がる二次元物質の新技術と応用 (2020)
  • Author(s): 菅原 克明，高橋 隆，佐藤 宇史
  • Total Pages: 295-303
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
• [Book] 放射光利用の手引き、第4部 (2019)
  • Author(s): 菅原克明, 高橋隆
  • Total Pages: 172-177
  • Publisher: アグネ技術センター