磁性トポロジカル絶縁体薄膜における新規量子輸送現象の探索

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K13988
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 佐藤 雄貴 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, 基礎科学特別研究員 (90909219)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 薄膜 / 超伝導 / スピントロニクス / 磁性 / 量子臨界点

Outline of Annual Research Achievements

今年度は主に分子線エピタキシー（MBE）法を用いて①鉄系超伝導体FeSexTe1-x(FST)薄膜の作製、②磁性トポロジカル絶縁体(Cr,Bi,Sb)2Te3(CBST)とFSTのヘテロエピタキシャル接合系の作製を行い、それぞれの試料について輸送特性の評価を行った。
①FSTは鉄系超伝導体の中で最も強い電子相関を有しており、また非常に浅く小さいフェルミ面を形成することから特異な超伝導状態が実現していることが指摘されてきた。また興味深いことに試料を薄膜化するとバルクとは異なる超伝導転移温度Tcを示すことが知られており、そのメカニズム解明は重要な課題である。高エネルギー加速器研究機構にて放射光X線回折実験を行ったところ、薄膜試料では構造相転移が抑制されており、バルクとは異なる熱膨張を示すことが明らかになった。さらに電気抵抗、ホール係数、ゼーベック係数、パルス磁場を用いた上部臨界磁場の測定などを様々な組成や膜厚のFSTに対して系統的に測定を行った。その結果、非従来型超伝導体でしばしばみられる量子臨界点がこの系においても存在することが明らかになった。
②CBSTは磁性トポロジカル絶縁体として知られ、トポロジカル表面状態に開いた磁気ギャップよりも十分低温で異常量子ホール効果を示す。この系に超伝導近接効果を与えることで、界面で時間反転対称性の破れたトポロジカル超伝導状態が現れることが理論的に予測されている。本研究ではMBE法を用いて原子レベルで平坦なFSTとCBSTの界面を有するヘテロ構造の作製に成功した。さらにこの系では大きな異常ホール伝導度が観測されており、超伝導転移するまで温度帯で量子化値に近づいて増大することが観測された。このことはこの系にトポロジカル超伝導が生じる条件を実証しており、今後カイラルマヨラナエッジモードの検証をする格好の系であることを意味している。

Research Products

• [Journal Article] Molecular beam epitaxy of superconducting FeSexTe1-x thin films interfaced with magnetic topological insulators (2024)
  • Author(s): Sato Yuki、Nagahama Soma、Belopolski Ilya、Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Tsukazaki Atsushi、Kanazawa Naoya、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 8 Pages: L041801
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.L041801
  • Peer Reviewed
• [Presentation] FeSexTe1-x thin films as a platform for exploring exotic superconducting states (2024)
  • Author(s): Yuki Sato, Soma Nagahama, Ilya Belopolski, Ryotaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Atsushi Tsukazaki, Naoya Kanazawa, Akiyoshi Yamada, Masashi Tokunaga, Kei. S. Takahashi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura
  • Organizer: American physical society March meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FeSexTe1-x thin films as a platform for exploring exotic superconducting states (2024)
  • Author(s): Yuki Sato, Soma Nagahama, Ilya Belopolski, Ryotaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Atsushi Tsukazaki, Naoya Kanazawa, Akiyoshi Yamada, Masashi Tokunaga, Kei. S. Takahashi, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura
  • Organizer: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MBE成長させた FeSexTe1-x薄膜の上部臨界磁場測定 (2023)
  • Author(s): 佐藤雄貴, 永濱壮真, Ilya Belopolski, 吉見龍太郎, 川村稔, 塚﨑敦, 金澤直也, 山田暉馨, 徳永将史, 高橋圭, 川﨑雅司, 十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会