SQUID-STM複合型顕微鏡の開発および新奇超伝導・磁性研究への応用

• Project/Area Number: 18H01167
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Osaka University (2020); The University of Tokyo (2018-2019)
• Principal Investigator: 下澤 雅明 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40736162)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 芝内 孝禎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2018: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
• Keywords: SQUID / 磁気顕微鏡 / STM / 走査型SQUID顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 / 超伝導 / 磁性体

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、走査型SQUID顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡（STM）を組み合わせたSQUID・STM複合型磁気顕微鏡システムの開発に取り組んだ。このシステムは、従来の走査型SQUID顕微鏡と同等の磁気感度を有するにも関わらず、空間分解能は２桁ほど良い特長を持つ。本システムを構築する上で、主に（１）高磁気感度のSQUID素子、（２）超精密な走査システム、（３）STMのヘッドおよび（４）軟磁性体の針を用意する必要がある。（１）に関しては、今年度から金沢工業大学との共同研究を開始しており、来年度までにSQUID素子の開発を完了させる予定である。（２）に関しては、位置精度・ノイズレベルの問題から、従来のSQUID顕微鏡の走査システムを流用することはできないので、新たに用意する必要がある。こちらに関しては今年度中に準備が完了している。（３）と（４）については、来年度から開始する予定である。これら４つの部品が揃い次第、SQUID・STM複合型顕微鏡システムの構築を進める予定である。
上記の研究以外にも、κ-H3(Cat-EDT-TTF)2がどのようなメカニズムで量子スピン液体状態を実現しているのかを解明するために、元素置換系であるκ-H3(Cat-EDT-d4-TTF)2とκ-H3(Cat-EDSe-TTF)2、κ-H3(Cat-EDT-ST)2の磁気トルク測定を行った。これらの磁気トルク測定は２年前に行なっていたが、カンチレバーなどのバックグランドの影響が大きく、試料の磁気信号を正確に評価できていなかった。今回はバックグランドの影響を取り除くことで、試料本質の磁気トルク信号を抽出することに成功した。この内容は、物理学会で発表している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

上記（研究実績の概要）で報告した通り、SQUID・STM複合型顕微鏡の構築に取り組んでいる。このシステムは主に４つのパーツから構成されており、それぞれのパーツの作成は着実に進んでいる。来年度中には、システム全体の完成を目指す。これまでに極低温SQUID・STM複合型顕微鏡の前例はないので、その開発には困難を伴うことを踏まえると、現在のところ研究進捗状況には問題ないと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、SQUID・STM複合型磁気顕微鏡システムの開発を完了し、テスト試料を用いてその性能を確認する。さらに可能であれば、ワイル磁性体やスキルミオン物質、強磁性超伝導などの研究に適用できればと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Spin thermal Hall conductivity of a Kagome antiferromagnet (2018)
  • Author(s): Doki Hayato、Akazawa Masatoshi、Lee Hyun-Yong、Han Jung Hoon、Sugii Kaori、Shimozawa Masaaki、Kawashima Naoki、Oda Migaku、Yoshida Hiroyuki、Yamashita Minoru
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121 Pages: 097203-097203
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.097203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual Thermal Hall Effect in a Kitaev Spin Liquid Candidate α-RuCl3 (2018)
  • Author(s): Y. Kasahara, K. Sugii, T. Ohnishi, M. Shimozawa, M. Yamashita, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, T. Shibauchi, and Y. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Pages: 217205-217205
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.217205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous Change in the de Haas-van Alphen Oscillations of CeCoIn5 at Ultralow Temperatures (2018)
  • Author(s): H. Shishido, S. Yamada, K. Sugii, M. Shimozawa, Y. Yanase, and M. Yamashita
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Pages: 177201-177201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.177201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] キラル反強磁性体CsCuCl3のc軸熱輸送特性 (2019)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] ダイマーモット絶縁体κ-(BEDT-TTF)2Hg(SCN)2X, (X = Br, Cl)における磁化率・磁気トルク測定 (2019)
  • Author(s): 山下穣, 杉井かおり, 下澤雅明, 上田顕, 森初果, Natalia Drichko, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, Elena I. Zhilyaeva, Svetlana A. Torunova, Rimma N. Lyubovskaya
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] 水素結合型モット絶縁体Cat-EDT系における量子常誘電・常磁性状態 (2019)
  • Author(s): 藤井桜子, 下澤雅明, 近藤潤, 杉井かおり, 山下穣, 上田顕, 森初果, 杉浦栞理, 寺嶋太一, 宇治進也, 橋本顕一郎, 井口敏, 佐々木孝彦
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] α-RuCl3における熱ホール効果の磁場角度依存性 (2019)
  • Author(s): 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 水上雄太, 田中桜平, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年次大会
• [Presentation] Thermal transport properties of S = 1/2 Cd-kapellasite (2019)
  • Author(s): Masatoshi Akazawa, Hayato Doki, Kaori Sugii, Masaaki Shimozawa, Minoru Yamashita, Hyun-Yong Lee, Naoki Kawashima, Ryutaro Okuma, Zenji Hiroi, Jung Hoon Han
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カゴメ反強磁性体Cd-Kapellasiteの熱輸送特性 (2018)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 土岐勇人, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, Hyun-Yong Lee, 川島直輝, 大熊隆太郎, 広井善二, Jung Hoon Han
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 III (2018)
  • Author(s): 山下穣, 田代光輝, 下澤雅明, 杉井かおり, 谷口貴紀, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] α-RuCl3におけるマヨラナ量子化条件の検証 (2018)
  • Author(s): 馬斯嘯, 笠原裕一, 大西隆史, 水上雄太, 田中桜平, 杉井かおり, 下澤雅明, 山下穣, 栗田伸之, 田中秀数, 那須譲治, 求幸年, 芝内孝禎, 松田祐司
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] Quantum Disordered State of Magnetic and Electric Dipoles in Hydrogen-Bonded Organic Mott Insulator κ-H3(Cat-EDT-TTF)2 (2018)
  • Author(s): M. Shimozawa, K. Hashimoto, A. Ueda, Y. Suzuki, K. Sugii, S. Yamada, Y. Imai, R. Kobayashi, K. Itoh, S. Iguchi, M. Naka, S. Ishihara, H. Mori, T. Sasaki, and M. Yamashita
  • Organizer: ICSM2018
  • Int'l Joint Research