Elucidating the peculiar properties of inversion-symmetry-broken surface superconductors with scanning tunneling microscopy

• Project/Area Number: 15H05453
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Hirahara Toru 東京工業大学, 理学院, 准教授 (30451818)
• Research Collaborator: TANAKA Tomoaki ; YOSHINO Ryo ; AKIYAMA Kenta
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥23,790,000 (Direct Cost: ¥18,300,000、Indirect Cost: ¥5,490,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2016: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2015: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
• Keywords: 超伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / ラシュバ効果 / 物性実験 / 表面・界面 / 表面・界面物性 / 超薄膜

Outline of Final Research Achievements

We report the relationship between the surface superstructure of SrTiO3(001) (STO) substrate
and superconducting properties of single unit cell (1 UC) FeSe films using scanning tunneling
microscopy/spectroscopy (STM/STS). Under reflection high-energy-electron diffraction (RHEED) observation, we controlled the periodicity of the STO surface to 2×1 and √2×√2 by changing the annealing temperature and grew high-quality FeSe films. We found that the substrate periodicity can be imaged through the 1 UC FeSe from high-resolution STM observations and obtained clear evidence that the superconducting gap size depends on the surface periodicity (10-15 meV on 2×1 and 15-17.5 meV on √2×√2) for the first time. The results are discussed in terms of the surface termination of the STO substrate.

Research Products

• [Int'l Joint Research] ドナスティア物理国際研究所(スペイン)
• [Int'l Joint Research] トムスク州立大学(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
• [Journal Article] Flattening and manipulation of the electronic structure of h-BN/Rh(111) nanomesh upon Sn intercalation (2018)
  • Author(s): Sugiyama Yuya、Bernard Carlo、Okuyama Yuma、Ideta Shin-ichiro、Tanaka Kiyohisa、Greber Thomas、Hirahara Toru
  • Journal Title: Surface Science Volume: 672-673 Pages: 33-38
  • DOI: 10.1016/j.susc.2018.03.007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • Author(s): T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, E. V. Chulkov
  • Journal Title: NANO Letters Volume: 17 Issue: 6 Pages: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Growth and Atomic Structure of Tellurium Thin Films Grown on Bi2Te3 (2017)
  • Author(s): Y. Okuyama, Y. Sugiyama, S. Ideta, K. Tanaka, and T. Hirahara
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 398 Pages: 125-129
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.196
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of a Convenient <i>in situ </i>UHV Scanning Tunneling Potentiometry System Using a Tip Holder Equipped with Current-Injection Wires (2016)
  • Author(s): T. Nakamura, R. Yoshino, R. Hobara,S. Hasegawa, and T. Hirahara
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 14 Issue: 0 Pages: 216-224
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2016.216
  • NAID: 130005282046
  • ISSN: 1348-0391
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of Quantum and Surface-State Effects in the Bulk Fermi Level Position of Ultrathin Bi films (2015)
  • Author(s): T. Hirahara, T. Shirai, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, S. Hasegawa, and K. Kobayashi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 115 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.106803
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct observation of a gap opening in topological interface states of MnSe/Bi2Se3 heterostructure (2015)
  • Author(s): A.V. Matetskiy, I. A. Kibirev, T. Hirahara, S. Hasegawa, A.V. Zotov, and A.A. Saranin
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107 Issue: 9
  • DOI: 10.1063/1.4930151
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Target element dependent spin–orbit coupling in polarized 4He+ ion (2015)
  • Author(s): 鈴木拓、酒井治、一ノ倉聖、平原徹、長谷川修司
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B Volume: 印刷中 Pages: 163-166
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2014.11.055
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The Rashba and quantum size effects in ultrathin Bi films (2015)
  • Author(s): T. Hirahara
  • Journal Title: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Volume: 201 Pages: 98-104
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2014.08.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-Dependent Ion Scattering on Bismuth Surfaces (2015)
  • Author(s): 一ノ倉聖, 平原徹, 酒井治, 長谷川修司, 鈴木拓
  • Journal Title: Hyomen Kagaku Volume: 36 Issue: 8 Pages: 408-411
  • DOI: 10.1380/jsssj.36.408
  • NAID: 130005093814
  • ISSN: 0388-5321, 1881-4743
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 近接効果によるトポロジカル表面状態の制御 (2018)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 第一回HiSORスピン物性研究会~高輝度光源を活かしたスピン分解光電子分光研究の展望~
  • Invited
• [Presentation] MnとTeを蒸着したBi2Te3の電子構造とその温度依存性 (2018)
  • Author(s): 横山喜一、奥山裕磨、宮本幸治、出田真一郎、奥田太一、田中清尚、平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] SrTiO3基板上の単層FeSeの超伝導特性の基板表面超構造依存性 (2018)
  • Author(s): 秋山健太、田中友晃、芳野諒、平原徹
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2018)
  • Author(s): T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, and E. V. Chulkov
  • Organizer: BEC2018
• [Presentation] トポロジカル絶縁体表面に埋め込まれた強磁性層 (2017)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 第８回 真空・表面科学若手研究会
  • Invited
• [Presentation] 自己組織化によって形成された磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ接合 (2017)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 物性研短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
  • Invited
• [Presentation] Heterostructure of a topological insulator/magnetic insulator ultrathin film (2017)
  • Author(s): Y. Okuyama, S. V. Eremeeev, R. Nakanishi, R. Akiyama, T. Shirasawa, Y. Sugiyama, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ideta, K. Tanaka, E. V. Chulkov, S. Hasegawa, and T. Hirahara
  • Organizer: ISSS-8
• [Presentation] Local Superconducting Properties of Single-Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3 (2017)
  • Author(s): T. Tanaka, R. Yoshino, K. Akiyama and T. Hirahara
  • Organizer: ISSS-8
• [Presentation] MnとTeを蒸着したBi2Te3の電子構造とその温度依存性 (2017)
  • Author(s): 横山喜一、奥山裕磨、宮本幸治、奥田太一、田中清尚、平原徹
  • Organizer: 第８回 真空・表面科学若手研究会
• [Presentation] 磁性絶縁体/トポロジカル絶縁体超薄膜ヘテロ構造の電子状態と磁化特性 (2017)
  • Author(s): 奥山裕磨、S. V. Eremeeev、中西亮介、秋山了太、白澤徹郎、角田一樹、宮本幸治、奥田太一、出田真一郎、田中清尚、高木康多、横山利彦、E. V. Chulkov、長谷川修司、平原徹
  • Organizer: 第８回 真空・表面科学若手研究会
• [Presentation] SrTiO3基板上の単一ユニットセルFeSeの超伝導特性:表面超構造依存性 (2017)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 秋山健太, 平原徹
  • Organizer: 第８回 真空・表面科学若手研究会
• [Presentation] MnとTeを蒸着したBi2Te3の電子構造とその温度依存性 (2017)
  • Author(s): 横山喜一、奥山裕磨、宮本幸治、奥田太一、田中清尚、平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2017
• [Presentation] 磁性絶縁体/トポロジカル絶縁体超薄膜ヘテロ構造の電子状態と磁化特性 (2017)
  • Author(s): 奥山裕磨、S. V. Eremeeev、中西亮介、秋山了太、白澤徹郎、角田一樹、宮本幸治、奥田太一、出田真一郎、田中清尚、高木康多、横山利彦、E. V. Chulkov、長谷川修司、平原徹
  • Organizer: UVSORシンポジウム2017
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合の電子状態：膜厚依存性 (2017)
  • Author(s): 奥山裕磨、石川遼、黒田真司、平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] SrTiO3基板上の単一ユニットセルFeSeの局所的な超伝導特性 (2017)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 秋山健太, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Inducing magnetism in topological insulators by self organized incorporation of a ferromagnetic layer (2017)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: Physics at the borderline between 1D and 2D
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dirac Electrons in Condensed Matter Physics (2017)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: IOP Publishing Young Researchers' Meeting: Frontiers in Fundamental and Applied Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ビスマス系超薄膜・ヘテロ接合の電子構造とスピン物性 (2017)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 日本磁気学会第62回スピンエレクトロニクス専門研究会
  • Invited
• [Presentation] SrTiO3基板上の単一ユニットセルFeSeの電子状態：表面超構造依存性 (2017)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合 I：結晶構造と電子状態 (2017)
  • Author(s): 奥山裕磨, S. V. Eremeev, 白澤徹郎, 杉山裕弥, 角田一樹, 宮本幸治, 奥田太一, 出田真一郎, 田中清尚, E. V. Chulkov, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合II：磁化特性 (2017)
  • Author(s): 中西亮介, 秋山了太, 奥山裕磨, 高木康多, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 横山利彦, 長谷川修司, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
• [Presentation] Heterostructure of a topological insulator/magnetic insulator ultrathin film (2017)
  • Author(s): Y. Okuyama, S. V. Eremeeev, R. Nakanishi, R. Akiyama, T. Shirasawa, Y. Sugiyama, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ideta, K. Tanaka, E. V. Chulkov, S. Hasegawa, and T. Hirahara
  • Organizer: IOP Publishing Young Researchers' Meeting: Frontiers in Fundamental and Applied Physics
• [Presentation] Local Superconducting Properties of a Single Unit-Cell FeSe Thin Film on SrTiO3 (2017)
  • Author(s): T. Tanaka, R. Yoshino, and T. Hirahara
  • Organizer: IOP Publishing Young Researchers' Meeting: Frontiers in Fundamental and Applied Physics
• [Presentation] ビスマス超薄膜における半金属半導体転移の検証II (2016)
  • Author(s): 平原徹, 白井皓寅, 羽尻哲也, 松波雅治, 田中清尚, 木村真一, 長谷川修司, 小林功佳
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Growth and Electronic Structure of a Tellurium Thin Film on Bi2Te3 (2016)
  • Author(s): Yuma Okuyama, Yuya Sugiyama, and Toru Hirahara
  • Organizer: The 20th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Place of Presentation: Hiroshima University
  • Year and Date: 2016-03-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ビスマス超薄膜における半金属半導体転移の検証 (2016)
  • Author(s): 平原徹
  • Organizer: 第一回 ディラック電子系マルチフェロイクス研究会
  • Place of Presentation: 東京理科大学
  • Year and Date: 2016-01-28
• [Presentation] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ構造:磁化によるディラックコーン変調に向けて (2016)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 物性研短期研究会「走査トンネル顕微鏡による物性研究の現状と展望」
  • Invited
• [Presentation] The Rashba and quantum size effects in ultrathin Bi films (2016)
  • Author(s): Toru Hirahara
  • Organizer: AVS 63rd International Symposium & Exhibition
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 表面・ナノ薄膜の電子物性と原子構造：新奇ディラック電子創出に向けて (2016)
  • Author(s): 平原 徹
  • Organizer: 大阪大学大学院理学研究科物理学専攻セミナー
  • Invited
• [Presentation] 単一ユニットセルFeSeの構造と電子状態：STM/STS観察 (2016)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 平原徹
  • Organizer: 物性研短期研究会「走査トンネル顕微鏡による物性研究の現状と展望」
• [Presentation] 単一ユニットセルFeSeの構造と電子状態：STM/STS観察 (2016)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 平原徹
  • Organizer: 日本表面科学会関東支部 第4回関東支部セミナー
• [Presentation] Bi2Te3基板上におけるTe単結晶薄膜の作成と電子状態測定 (2016)
  • Author(s): 奥山裕磨, 杉山裕弥, 出田真一郎, 田中清尚, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] RHEEDとSTMによるSrTiO3上の１UC-FeSeの成長過程と構造評価 (2016)
  • Author(s): 芳野諒, 田中友晃, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] h-BN上へのスタネンの作製と評価 (2016)
  • Author(s): 杉山裕弥, 奥山裕磨, 出田真一郎, 田中清尚, C. Bernard, T. Greber, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] 単一ユニットセルFeSeの構造と電子状態：STM/STS観察 (2016)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 平原徹
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
• [Presentation] SrTiO3 基板上のFeSe 薄膜の作成と構造評価 (2016)
  • Author(s): 田中友晃, 芳野諒, 平原徹
  • Organizer: 日本表面科学会第１回関東支部講演大会
• [Presentation] Bi2Te3基板上のTe薄膜の成長と電子状態 (2016)
  • Author(s): 奥山裕磨, 杉山裕弥, 平原徹
  • Organizer: 日本表面科学会第１回関東支部講演大会
• [Presentation] Surface and Bulk States of Ultrathin Bi films: Electronic Structure and Transport Properties (2015)
  • Author(s): T. Hirahara, M. Aitani, T. Shirai, S. Ichinokura, M. Hanaduka, D. Y. Shin, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, K. Kobayashi, and S. Hasegawa
  • Organizer: 15th International Conference on the Formation of Semiconductor interfaces
  • Place of Presentation: International Conference Center Hiroshima
  • Year and Date: 2015-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ビスマス超薄膜における半金属半導体転移の検証 (2015)
  • Author(s): 平原徹, 白井皓寅, 羽尻哲也, 松波雅治, 田中清尚, 木村真一, 長谷川修司, 小林功佳
  • Organizer: UVSORシンポジウム
  • Place of Presentation: 分子科学研究所
  • Year and Date: 2015-11-06
• [Presentation] 表面・界面でのスピン軌道相互作用：ビスマス系化合物を中心に (2015)
  • Author(s): 平原徹
  • Organizer: 第七回 神楽坂 凝縮系理論勉強会
  • Place of Presentation: 東京理科大学
  • Year and Date: 2015-08-08
  • Invited
• [Remarks] 平原研究室WEBページ
  • URL: http://www.surfnano.phys.titech.ac.jp/index.html