2022 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of quantum critical phenomena in two-dimensional superconductors by thermoelectric response
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20K14413
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
家永 紘一郎 東京工業大学, 理学院, 助教 (50725413)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ２次元超伝導体 / 熱電効果 / 超伝導-絶縁体転移 / 量子渦(渦糸) / 超伝導ゆらぎ / 異常金属状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は昨年度に引き続き，磁場誘起の超伝導-金属-絶縁体転移を示す厚さ10 nmのアモルファスMoxGe1-x薄膜(試料B)を測定した．この試料では，2020年度の厚さ12 nmの試料Aよりも超伝導転移温度(Tc0 = 2.4 K)や絶対零度での上部臨界磁場(Bc2(0) = 5.5 T)が減少している．このため，常伝導相に存在する超伝導の振幅ゆらぎを相対的に広範囲にわたり測定できる．熱ゆらぎ領域(高温)と量子ゆらぎ領域(極低温)における熱電信号には，熱的相転移と量子相転移の相関長がそれぞれの臨界点で発散する振る舞いが反映される．したがって量子ゆらぎ領域を調べることは，絶対零度での異常金属状態の出現理由を明らかにするための重要な手がかりとなる．
試料Bに対してTc0とBc2(0)のそれぞれ2倍の温度-磁場範囲わたって熱電効果を測定した結果，全範囲で明確な振幅ゆらぎ信号の検出に成功した．これは電気抵抗測定で検出可能な範囲をはるかに超えており，熱電効果がゆらぎに敏感であることを裏付けている．Tc0以上の高温域では，熱電信号の磁場依存性におけるピーク位置からゴースト臨界磁場B*(T)を決定できた．B*(T)は温度の減少に伴って減少し，Tc0でB*=0へと向かう．これは，熱的相転移の相関長がTc0に向かって発散的に増大することを反映している．Bc2(0)以上の高磁場域では，熱電信号の温度依存性におけるピーク位置から，量子-古典クロスオーバー線に相当するゴースト温度T*(B)を決定できた．これは世界初の実験検出であり，0.1Kまでの精密な測定によって達成された．磁場の減少に伴ってT*(B)は減少し，T*=0へと到達する磁場がBc2(0)以下の異常金属状態の範囲内に位置することがわかった．この結果は，試料Aの結果が示唆する異常金属状態の臨界性を，より明確に裏付けるものである．
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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
膜厚を減少させた試料Bを用いて，熱ゆらぎ領域から量子ゆらぎ領域にかけての超伝導ゆらぎの包括的な理解を得ることができた．特に，量子ゆらぎ領域におけるゴースト温度線(量子-古典クロスオーバー線)の発見により，超伝導-絶縁体転移における量子臨界点の広がりによって異常金属状態が出現していることを明確に実証することができた．このように，研究は当初の予想以上に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
乱れ効果の強い２次元超伝導体で期待されるクーパー対の局在化および渦糸のボース凝縮の実験検出のために，乱れ効果をより高めた試料を作成して実験を実施する．今年度までに実施した試料A，B，Cに対する実験から，最も常伝導シート抵抗が高い試料Cでは超伝導が完全に消失しており，逆に超伝導を示す試料Bでは局在性が不足していることが明らかになっている．そこで，超伝導性と局在性のバランスを最適化させるために，試料Bと試料Cの中間の常伝導シート抵抗を持つ試料Dを作成した．現在までに電気抵抗測定から，Tc0 = 0.8Kと非常に低いながらも超伝導性を有することが明らかになっている．この試料に熱電効果測定を適用することで，ボース絶縁体の実験的検出を行う予定である．
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| Causes of Carryover |
試料Bに対する実験が予想以上の進展を見せたため，実験データの解析や文献調査, 理論的考察に時間を要し, 予定していた試料Dに対する実験の開始が遅れてしまった．このため，本課題の目的達成のために次年度も継続して実験を推進していく必要がある．
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