Creation of topological phases and simulation of electronic states using atom manipulation technique

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K22135
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 南任 真史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (90300889)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 原子操作 / 低温STM / 分子グラフェン / トンネル電子分光 / エッジ状態 / 超伝導ギャップ / マヨラナフェルミオン / Yu-Shiba-Rusinov状態

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではマヨラナフェルミオン検出を一つのターゲットにしている。そこで報告例のある超伝導体表面上の磁性原子の一次元構造の両端で、実際に検出されるかどうか確認実験を行なった。
原子スケールで平坦なPb(110)表面で、微量蒸着した孤立Fe原子を動かして人工的に一次元構造を作るべく原子操作を試み、Fe原子を動かすことに成功した。しかし、動かした後のFe原子はサイズが大きくなり、また元の位置近くの表面にPb原子の欠損と思われる欠陥が生じ、この結果は何度試みても再現した。これはFe原子とその直下のPb原子の結合が強く、Fe原子をSTMの探針で操作して動かした場合、Fe原子と直下のPb原子がdimerを形成してそのまま移動したものと考えられる。
次に、孤立Fe原子近傍でトンネル電子分光を行ない、スピン散乱により生じた準粒子状態を反映するYu-Shiba-Rusinov状態の観察を試みた。しかし、トンネルスペクトルに予想される超伝導ギャップ内の二つのピーク構造は観察されなかった。超伝導転移温度(Tc)がより高いNb(110)表面でも同様の実験を行なったが、結果は同じであった。これらの実験で試料温度は自作の冷凍機を用いて2.5～3.0 K程度であったが、試料のTcと比べ十分に低くなかった可能性がある。そこで、冷凍機の到達温度をより低くするための改良を行ない、1.7 Kの試料温度が得られた。現在、より低い温度で実験を継続している。
Cu(111)面上にCO分子を三角格子状に並べて形成した分子グラフェンのエッジ状態を観察する実験では、エッジの外側に絶縁体的な電子状態の領域が必要である。そこで、CO分子を多量に吸着させ、アニールすることで島状にし、その境界に原子操作で三角格子を作ることを狙っている。しかし、今のところ直線的な境界を作り出すことに成功しておらず、エッジ状態の観察には至っていない。