2013 Fiscal Year Annual Research Report
相対論的電子を有する有機導体へのキャリア注入と量子伝導現象
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25287089
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
田嶋 尚也 東邦大学, 理学部, 准教授 (40316930)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西尾 豊 東邦大学, 理学部, 教授 (20172629)
須田 理行 分子科学研究所, 大学共同利用機関等の部局等, 助教 (80585159)
森成 隆夫 京都大学, 人間・環境学研究科(研究院), 准教授 (70314284)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子性ディラック電子系 / 量子ホール効果 / 電界効果 |
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| Research Abstract |
申請者は、質量ゼロの素粒子ニュ－トリノのように固体中で振る舞う電子(ディラック電子)を有するゼロギャップ伝導体を有機導体α-(BEDT-TTF)2I3の高圧力下で発見した。世界最初のバルクなゼロギャップ伝導体である。本研究では、バルク結晶におけるディラック電子の特徴的な性質を見出すことを目的に、この系へキャリア注入する方法を確立し、これまで観測困難と思われていた量子ホール効果観測を実現した。以下が本年度の成果である。
・田嶋（研究代表者）：既に100nm程の厚み試料をわずかに負に帯電したPEN基板に固定し、正孔注入（接触帯電法）に成功している。この手法を実践し、低温で正孔側の量子磁気抵抗振動と量子ホール効果を観察することに成功した。 得られた結果をデバイス作製担当の須田（分担者）へフィードバックしてデバイスを最適化することにより、充填率ν=-4, -6, -10の明瞭な量子ホール効果を実現した。さらに、森成（分担者）の理論を基にこのデバイスのエネルギーダイアグラムを評価した。
・西尾（分担者）：ゼーベック効果とネルンスト効果測定からランダウ準位構造の構築および新機能探索を計画し、この年度は極低温領域における高精度の測定システムを構築した。予備実験であるが、量子ネルンスト効果を観測することに成功した。
・須田（分担者）：PEN基板の表面電荷の不均化を極力小さくしたデバイスを作製した。さらに、26年度に正孔ドープ量を変えた研究を遂行することを目的にPET基板デバイス作製を行った。
・森成（分担者）：この系の特徴である多層構造を取り入れた輸送現象の理論計算を行った。層間の相互作用が低温で特異なスピン秩序をもたらすことを明らかにした。また，有機導体のモデル計算においてサイト間のクーロン斥力をフォック近似で解析し、ディラック電子安定化機構の存在を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
・田嶋（研究代表者）：良質なPEN基板デバイスで試料に正孔を注入し、当初計画したディラック電子系特有の量子ホール効果を検出することに成功した。
・西尾（分担者）：ゼーベック効果とネルンスト効果の極低温高精度測定システムを構築し、予備実験ではあるが26年度以降に計画した量子ネルンスト効果を観測した。
・須田（分担者）：表面電荷の不均化を極力小さくしたPEN基板デバイスを作製した。その結果、田嶋（研究代表者）は明瞭な量子ホール効果を検出することに成功したのである。
・森成（分担者）：実験結果から、PEN基板デバイスのエネルギーダイアグラムを評価し、この系の量子ホール効果を理論計算した。
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| Strategy for Future Research Activity |
・田嶋（研究代表者）： PEN基板では、ν=0（n=0ランダウ準位のスピン分裂）量子ホール状態を観測するには30Tよりも高い磁場を必要とする。現有設備の14T超伝導磁石で=0量子ホール状態を実現することを目的に、PETやPBT基板デバイスで研究を遂行する。一方で、この接触帯電法では1つのデバイスでキャリア注入量を制御できない。そこで、後半ではパリレンやイオン液体フィルムをゲート絶縁膜にした複合型電界効果トランジスタを作製し、1つのデバイスでキャリアの種類・ドープ量を制御して、明確なランダウ準位構造観察を実現する。
・西尾（分担者）：ゼーベック効果とネルンスト効果測定を極低温・磁場下で実行する。既に開始したPEN基板デバイスから行い、 PETやPBTなど基板を変えてランダウ準位構造を構築することを計画する。さらに後半ではパリレンやイオン液体フィルムをゲート絶縁膜にした複合型電界効果トランジスタを用いて研究を遂行する。
・須田（分担者）：測定結果をフィードバックしてそれぞれの基板の最適化を行う。さらに、複合型電界効果トランジスタの作製・最適化を行う。
・森成（分担者）：量子ホール効果・量子ネルンスト効果等の測定結果を理論的に評価し、新物理現象・新機能性の探索を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本研究では高圧力下で実現する分子性ディラック電子系の量子輸送特性を調べることを計画した。H25年度は効率よく安全に試料を加圧するために、当初購入予定した圧力セルを改良した。そのために、当初は予備の圧力セルを含めて3セット購入を計画したが、新型圧力セルは従来のものよりも費用が高くなり2セットのみの購入となった。その結果、\230の残額ができた。
なお、研究は円滑に遂行している。
\230の残額はH26年度に購入予定の圧力セルおよびその部品等予算に加える予定である。
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