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 (2019-2021); The University of Tokyo (2018)
• 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 2021)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); 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 / 走査型SQUID顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 / STM / 超伝導 / 磁性体

Outline of Annual Research Achievements

近年になって、ワイル磁性体やキタエフ磁性体、スキルミオン物質など、新しい磁気状態を有する物質群が数多く報告されている。これらの状態を理解する上で、磁気信号の可視化が非常に重要であるが、従来の磁気顕微鏡では「空間分解能もしくは磁気感度が足りない」という問題があった。そこで本研究では、磁気感度の優れた３軸磁気センサーと空間分解能の高い走査型トンネル顕微鏡を組み合わせた「3D-SQUID-STM複合型顕微鏡」を開発し、微弱な磁気信号の空間分布を視覚的に把握できるように取り組んだ。
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、昨年度から金沢工業大学との共同研究を開始していたが、本年度の途中で所属が変わってしまったため、共同研究を途中で打ち切らざるを得なかった。来年度は再度、金沢工大と共同研究を結び、SQUID素子の開発に取り組む予定である。（２）に関しては、Scanner（微動）部分とPositioner（粗動）部分の両方が必要になる。昨年度はScanner部分を購入していたが、今年度はPositioner部分の購入及び開発に取り組んでほぼ完成している。（３）と（４）に関しては、現在までに設計などを開始しているが、STMのヘッド部分の自作や軟磁性体の探針の加工は非常に難しい作業なので、思った以上に時間がかかっている。次年度も引き続き開発を行い、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全体の構築を進める予定である。構築後には、対象物質の磁気状態の空間マッピングも行うつもりである。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

上記（研究実績の概要）で報告した通り、極低温SQUID・STM複合型顕微鏡の構築に取り組んでいる。このような顕微鏡は世の中に存在しないので、その開発は非常に困難である。開発は予定より少しばかり遅れているが、十分に挽回できる程度の遅れであり、次年度中にはほぼ完成させられると考えている。

Strategy for Future Research Activity

過去２年間で、必要な装置を全て購入済みである。次年度中にシステム全体を完成させる予定である。問題となるSTMシステムに関しては、研究協力者の指導のもと、下澤が中心となって立ち上げる。STMヘッド部分の自作や軟磁性体の探針の加工は非常に難しい作業のため、時間がかかっているが、これまでに研究協力者は磁性体の探針を用いたスピン偏極STMの開発に成功しており、本研究におけるSTMシステムの開発も支障ないと思われる。

Research Products

• [Journal Article] Thermal-transport studies of kagome antiferromagnets (2020)
  • Author(s): M. Yamashita, M. Akazawa, M. Shimozawa, T. Shibauchi, Y. Matsuda, H. Ishikawa, T. Yajima, Z. Hiroi, M. Oda, H. Yoshida, H.-Y. Lee, J. H. Han and N. Kawashima
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 32 Pages: 074001-074001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab50e9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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 suppression in the de Haas-van Alphen oscillations of CeCoIn5 at ultra-low 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] 熱伝導率の磁場方向依存性からみたUTe2の超伝導状態 (2020)
  • Author(s): 中川翔太, 細井優, 今西優人, 多田勝哉, 下澤雅明, 井澤公一, 仲村愛, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] PrTr2Cd20(Tr=Pt, Rh)の電気輸送特性と温度磁場相図 (2020)
  • Author(s): 足立涼, 佐賀範彰, 細井優, 下澤雅明, 井澤公一, 町田洋, 広瀬雄介, 土塔寛, 河野琢馬, 摂待力生
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] BiCh2系超伝導体LaO0.5F0.5BiSSeにおける弾性抵抗測定 (2020)
  • Author(s): 小江悠達, 細井優, 野村尚也, 下澤雅明, 井澤公一, 星和久, 後藤陽介, 水口佳一
  • Organizer: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [Presentation] キラル反強磁性体CsCuCl3のc軸熱輸送測定II (2019)
  • Author(s): 赤澤仁寿, 下澤雅明, 山下穣, 高阪勇輔, 秋光純, 土屋直人, 井上克也, J. Zaccaro, I. Gautier-Luneau, D. Luneau
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] バルク層状磁性体に生じる非従来型異方的超伝導 (2019)
  • Author(s): 櫻木俊輔, 佐々木秀, 明石遼介, 坂上良介, 黒田健太, C. Bareille, 橋本嵩広, 長島椿, 木下雄斗, 平田靖透, 下澤雅明, 浅井晋一郎, 土居抄太郎, 辻本直人, 國定聡, 野口亮, 黒川輝風, 東伸彦, 平田昂輝, T. K. Kim, C. Cacho, 益田隆嗣, 徳永将史, 和達大樹, 岡﨑浩三, 辛埴, 神原陽一, 山下穣, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] CeCoIn5における超低温下NMR測定 IV (2019)
  • Author(s): 斉木克祥, 山下穣, 下澤雅明, 武田晃, 瀧川仁, 宍戸寛明
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会
• [Presentation] Uniaxial strain effect on the BiCh2-based superconductor LaO0.5F0.5BiSSe (2019)
  • Author(s): Y. Oe, S. Hosoi, N. Nomura, M. Shimozawa, K. Izawa, K. Hoshi, Y. Goto, Y. Mizuguchi
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of angle dependence of thermal conductivity in the heavy fermion superconductor UTe2 (2019)
  • Author(s): S. Nakagawa, S. Hosoi, Y. Imanishi, K. Ota, M. Shimozawa, K. Izawa, A. Nakamura, Y. Homma, F. Honda, D. Aoki
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic-field-temperature phase diagram of PrPt2Cd20 by magnetoresistance and Hall resistivity (2019)
  • Author(s): R. Adachi, N. Saga, S. Hosoi, M. Shimozawa, K. Izawa, Y. Machida, Y. Hirose, H. Doto, R. Settai
  • Organizer: J-Physics Annual Meeting FY2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱伝導率測定から見たUTe2の超伝導状態 (2019)
  • Author(s): 細井優, 中川翔太, 今西優人, 多田勝哉, 下澤雅明, 井澤公一, 仲村愛, 本間佳哉, 本多史憲, 青木大
  • Organizer: 第19回琉球物性研究会
• [Presentation] A non-linear Hall effect in a chiral nonmagnetic compound at zero field (2019)
  • Author(s): K. Matsuura, M. Akazawa, M. Shimozawa, S. Fujii, M. Qiu, T. Ueno, T. Takahashi, Y. Mizukami, K. Hashimoto, T. Shibauchi, J. Gouchi, M. Yamashita, Y. Uwatoko, K. Kobayashi
  • Organizer: TopoMat2019
  • Int'l Joint Research
• [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