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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Non-Reciprocal Transport at Surface Edges of Strong Spin-Orbit Interaction Materials

Research Project

Project/Area Number 20H00342
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

長谷川 修司  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00228446)

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) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords非相反伝導 / トポロジカル絶縁体 / ラシュバ効果 / スピン流 / スピン運動ロッキング
Outline of Annual Research Achievements

(1)光電流の非相反伝導:巨大ラシュバ効果を示す表面構造Si(111)-√3×√3-(Tl,Pb)において、円偏光赤外線を照射して光電流を測定したところ、右回り円偏光と左回り円偏光で光電流の大きさに違いがでる「円偏光フォトガルバニック効果(CPGE)」が生じることを発見した。これは、タリウムと鉛の1原子層だけの合金層に起因する光電流の非相反伝導現象であり、世界初の観測例となる。我々の測定は、試料を大気にさらすことなく超高真空中で「その場」測定する手法をとっているので、今回の成果が得られた。また、この現象の原因は、スピン分裂した表面電子状態に起因することを明らかにし、現在、論文出版に向けて準備中である。
(2))磁性トポロジカル絶縁体による非相反伝導:昨年度までにおいて、トポロジカル絶縁体であるBi2Te3薄膜結晶中にSbおよびMnをドーピングして、フェルミ準位をバルクバンドのエネルギーギャップ中にチューニングすることで、異常ホール効果およびトポロジカルホール効果を確認できた。本年度、その成果をまとめて論文出版することができた(T. Takashiro, et al., Nano Letters 22(3), 881-887 (Jan, 2022))。この試料でのエッジ状態での非相反伝導を、4探針走査トンネル顕微鏡プローバーによって直接検出する準備を進めているが、それと並行して、上記の試料において、フェルミ準位のチューニングのためにドープしたSb原子の磁性特性への影響を詳細に調べた。その結果、Sb濃度が上がると、磁化が強くなることが示され、それは格子歪に起因していることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

光電流における非相反伝導の研究は、単一原子層での円偏光フォトガルバニック効果を発見できたことは期待以上の成果であった。磁性トポロジカル絶縁体のエッジ状態における非相反伝導の直接検出の研究については、4探針走査トンネル顕微鏡装置のトラブルがあり、まだ実験に取り掛かれていない状態であるが、試料である磁性トポロジカル絶縁体の作成条件の最適化とマクロな伝導測定による特性評価を並行に進めており、新規な情報を得ることができたので、令和4年度において最終目標であるエッジ伝導の直接検出を実現する計画である。

Strategy for Future Research Activity

(1)光電流の非相反伝導: 磁性トポロジカル絶縁体やそのヘテロ薄膜構造試料を超高真空中の分子線エピタキシー法で作成し、試料を取り出さずに「その場」で、赤外光を照射し、円偏光フォトガルバニック効果および逆スピンホール効果による光電流の非相反光伝導を測定して研究し、トポロジカル表面状態の伝導への寄与を検出し、最大の非相反伝導を生み出すための試料の最適条件・構造を探る。
(2)磁性トポロジカル絶縁体のカイラルエッジ状態での非相反伝導の研究:昨年度は、トポロジカル絶縁体であるBi2Te3にSbおよびMnをドーピングして、フェルミ準位をバルクバンドのエネルギーギャップ中にチューニングし、異常ホール効果およびトポロジカルホール効果を確認できた。それを踏まえ、その状態で、カイラルエッジ状態ができているはずなので、当研究室に既存の低温型4探針走査トンネル顕微鏡プローバーによって、エッジに直接4本の探針を接触させ、電流ー電圧特性を測定することによって無散逸非相反伝導(カイラルエッジ伝導)を直接検出する。それによって、量子異常ホール効果状態で正確にチューニングしなくとも、このエッジ状態での直接検出が可能であると考えている。
従来、量子異常ホール効果はマクロな伝導の測定で確認されてきたが、ミクロな伝導測定によって、より直接的に観測することを目指す。
(3)純スピン流注入プローブによる非相反伝導の研究:トポロジカル絶縁体表面でのヘリカルディラック表面電子状態に、当研究室で開発された純スピン流注入プローブをつかって純スピン流を注入する。その純スピン流を逆スピンホール効果を利用して電圧・電流として検出する。純スピン流の注入、伝導、検出の最大化条件・構造を探る。

  • Research Products

    (30 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 7 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Inst Automation and Control Processes(ロシア連邦)

    • Country Name
      RUSSIA FEDERATION
    • Counterpart Institution
      Inst Automation and Control Processes
  • [Int'l Joint Research] Academia Sinica, 台湾(その他の国・地域 台湾)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      Academia Sinica, 台湾
  • [Journal Article] Soft-magnetic skyrmions induced by surface-state coupling in an intrinsic ferromagnetic topological insulator sandwich structure2022

    • Author(s)
      Takuya Takashiro, Ryota Akiyama, Ivan A. Kibirev, Andrey V. Matetskiy, Ryosuke Nakanishi, Shunsuke Sato, Takuro Fukasawa, Taisuke Sasaki, Haruko Toyama, Kota L. Hiwatari, Andrey V. Zotov, Alexander A. Saranin, Toru Hirahara, Shuji Hasegawa
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 22 Pages: 881-887

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.1c02952

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Superconductivity near the saddle point in the two-dimensional Rashba system Si(111)-√3×√3-(Tl,Pb)2022

    • Author(s)
      T. Machida, Y. Yoshimura, T. Nakamura, Y. Kohsaka, T. Hanaguri, C.-R. Hsing, C.-M. Wei, Y. Hasegawa, S. Hasegawa, and A. Takayama
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 064507 (9pp)

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.064507

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Two-dimensional superconductivity of the Ca-intercalated graphene on SiC: vital role of the interface between monolayer graphene and the substrate2022

    • Author(s)
      H. Toyama, R. Akiyama, M. Hashizume, S. Ichinokura, T. Iimori, T. Matsui, K. Horii, S. Sato, R. Hobara, Y. Endo, T. Hirahara, F. Komori, S. Hasegawa
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 16 Pages: 3582-3592

    • DOI

      10.1021/acsnano.1c11161

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin-glass-like state induced by Mn-doping into a moderate gap layered semiconductor SnSe22021

    • Author(s)
      Hongrui Huang, Azizur Rahman, Jianlin Wang, Yalin Lu, Ryota Akiyama, Shuji Hasegawa
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 130 Pages: 223903(6pp)

    • DOI

      10.1063/5.0077612

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 全反射高速陽電子回折(TRHEPD)によるCa挿入2層グラフェン超伝導材料の原子配列解明2021

    • Author(s)
      遠藤由大,深谷有喜,望月出海,高山あかり,兵頭俊夫,長谷川修司
    • Journal Title

      陽電子科学

      Volume: 16 Pages: 2-29

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] トポは端だが役に立つ~表面界面で起こる強磁性・超伝導~2022

    • Author(s)
      秋山了太
    • Organizer
      日本表面真空学会関東支部セミナー 「表面科学と原子層科学のエッジ」
    • Invited
  • [Presentation] 研究者、このクリエイティブで人間的な職業2022

    • Author(s)
      長谷川修司
    • Organizer
      日本表面真空学会関東支部セミナー 「表面科学と原子層科学のエッジ」
    • Invited
  • [Presentation] 原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体Mn(Bi,Sb)2Te4 を含むヘテロ構造におけるSb/Bi組成比による強磁性特性の変調2022

    • Author(s)
      高城拓也、秋山了太、長谷川修司
    • Organizer
      日本表面真空学会関東支部セミナー 「表面科学と原子層科学のエッジ」
  • [Presentation] 巨大ラシュバ分裂表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流2022

    • Author(s)
      谷内息吹、秋山了太、保原麗、長谷川修司
    • Organizer
      日本表面真空学会関東支部セミナー 「表面科学と原子層科学のエッジ」
  • [Presentation] 巨大ラシュバ分裂表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流2022

    • Author(s)
      谷内息吹, 秋山了太, 保原麗, 長谷川修司
    • Organizer
      SPring-8 ユーザー協同体・日本表面真空学会合同ミニコンファレンス NanospecFY2021mini
  • [Presentation] 高磁場・サブケルビン・超高真空 4 探針電気伝導・トンネル分光同時測定装置の開発2022

    • Author(s)
      佐藤瞬亮,保原麗,秋山了太,渡邉和己,長谷川修司
    • Organizer
      SPring-8 ユーザー協同体・日本表面真空学会合同ミニコンファレンス NanospecFY2021mini
  • [Presentation] 原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体MnSb2Te4およびそのヘテロ構造の磁気・電気伝導特性2022

    • Author(s)
      高城拓也, 秋山了太, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] SrTiO3(001)基板上への室温wetting layer成長法による超平坦SnTe(001)薄膜の成長と電気伝導評価2022

    • Author(s)
      秋山了太, 金田真悟, 大矢忍, 高城拓也, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Growth and transport property of copper selenide compound thin films2022

    • Author(s)
      SP. Liu, T. Takashiro, YX. Guo, R. Hobara, R. Akiyama and S. Hasegawa
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Caがインターカレートしたグラフェンにおける2重ディラックバンドと層間電子状態2022

    • Author(s)
      一ノ倉聖, 德田啓, 福嶋隆司朗, 堀井健太郎, 遠山晴子, 秋山了太, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 長谷川修司, 平原徹
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Observation of topological Hall effect in sandwich structures with self-assembled intrinsic topological ferromagnet Mn(Bi,Sb)2Te42021

    • Author(s)
      Ryota Akiyama
    • Organizer
      Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS) -26
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Soft-magnetic skyrmions induced by surface-state coupling in a sandwich structure with an intrinsic ferromagnetic topological insulator2021

    • Author(s)
      T. Takashiro, Ryota Akiyama, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa, T. Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. Hirahara, S. Hasegawa
    • Organizer
      International Symposium on Novel Materials and Quantum Technologies (ISNTT 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Soft-magnetic skyrmions induced by surface-state coupling in a sandwich structure with an intrinsic ferromagnetic topological insulator2021

    • Author(s)
      T. Takashiro, Ryota Akiyama, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa, T. Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. Hirahara, S. Hasegawa
    • Organizer
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Caインターカレート誘起フリースタンディンググラフェンにおける構造と超伝導の相関2021

    • Author(s)
      遠山晴子
    • Organizer
      日本表面真空学会令和3年度(2021年度)関東支部講演大会
    • Invited
  • [Presentation] 量子物質が加速する表面・原子層科学の新展開2021

    • Author(s)
      長谷川修司
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会シンポジウム「薄膜・表面物理研究のトレンドと今後の展望」
    • Invited
  • [Presentation] Induced effects by introducing ferromagnetism into topological insulators2021

    • Author(s)
      秋山 了太
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季年会領域9シンポジウム” Interdisciplinary surface science researches toward innovative materials and devices”
    • Invited
  • [Presentation] 物理チャレンジ・物理オリンピックによる中高生へのはたらきかけ ~これまでとこれから~2021

    • Author(s)
      長谷川修司
    • Organizer
      応用物理学会応用物理教育分科会 第31回物理教育に関するシンポジウム『みらいを創る科学技術教育』
    • Invited
  • [Presentation] 自己形成型磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造Mn(Bi1-xSbx)2Te4/(Bi1-xSbx)2Te3における強磁性特性のBi/Sb組成比依存性2021

    • Author(s)
      高城拓也, 秋山了太, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] 単原子層ラシュバ表面系(Tl,Pb)/Si(111)での円偏光フォトガルバニック効果2021

    • Author(s)
      谷内息吹, 秋山了太, 保原麗, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] SiC基板上のCaインターカレートグラフェンにおける超伝導2021

    • Author(s)
      遠山晴子, 秋山了太, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 飯盛拓嗣, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 保原麗, 遠藤由大, 福山寛, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Presentation] in situ 4 探針電気伝導・トンネル分光法同時測定装置の開発2021

    • Author(s)
      佐藤瞬亮, 秋山了太, 保原麗, 渡邉和己, 長谷川修司
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [Book] 図説 表面分析ハンドブック2021

    • Author(s)
      日本表面真空学会編、長谷川修司(分担執筆)
    • Total Pages
      576
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      978-4-254-20170-3
  • [Remarks] 長谷川研究室

    • URL

      http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/top_j.html

URL: 

Published: 2022-12-28  

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