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Novel magnetic properties of two-dimensional ferromagnetic van der Waals atomic layers

Research Project

Project/Area Number 18H03877
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

平原 徹  東京工業大学, 理学院, 准教授 (30451818)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 秋山 了太  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
Fiscal Year 2019: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
Fiscal Year 2018: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Keywords物性実験 / 表面界面 / 原子層物質 / 強磁性 / 高温超伝導 / 2次元物質 / 磁性 / 表面・界面物性
Outline of Annual Research Achievements

2020年度はまず、典型的な2D v-DW強磁性体であると議論されているVSe2のX線磁気円二色性(XMCD)測定を行った。その結果この系で6K、10Tにおいて優位なXMCDの信号を観測することに世界で初めて成功した。しかし磁場をゼロにすると残留磁化は残らず、単層VSe2が6Kでも常磁性的であることが実証できた。しかし詳細な定量的解析を行うことで、この系では長距離磁気秩序は存在しないものの、短距離秩序は残っており強磁性状態に近いことが分かった。
さらに我々が世界に先駆けて開発したトポロジカル絶縁体内部に磁性元素Mnが単原子層埋め込まれているMnBi2Se4に関して引き続き研究を行った。特にこれまではMn層が単一で存在するMnBi2Se4/Bi2Se3ヘテロ構造に注目していたが、Mn層間の磁気的相互作用を明らかにするため、MnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造への展開を行った。角度分解光電子分光(ARPES)を用いた電子状態測定から、サンドイッチ構造では磁性元素挿入による時間反転対称性の破れに由来する表面ディラックコーンギャップ以外にnが小さい場合は表裏のディラックコーンの波動関数の混成に由来する混成ギャップも同時に生じることが分かった。さらに予備的なXMCDから、n=1,2,3のサンドイッチ構造では通常のヘテロ構造に比べてキュリー温度が上昇し、さらに保持力や残留磁化も大きいことが分かった。今後更に多くのnに対して系統的な測定を行うことで、Mn原子層間の磁気的な相互作用の詳細を明らかにしていく。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

MnBi2Se4に関しては無事にサンドイッチ構造の作製に成功し、さらに電子状態や磁化特性評価を行うことができた。またVSe2に関しては詳細なXMCD測定によって長距離磁気秩序の欠如および短距離秩序の存在を明らかにし、研究目的の達成に近づいているので、このように判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後はMnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造の電子状態や磁気特性の評価を様々なnに対して行うことで系統的に行っていく。XMCDは元素選択的な手法であり、磁性元素Mnのみならず、非磁性のBiやSeに対しても測定を行うことで層間の磁気的相互作用の詳細を明らかにできると考えている。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(84 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (17 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Peer Reviewed: 17 results,  Open Access: 3 results) Presentation (58 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 11 results) Book (2 results) Remarks (2 results)

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    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Pages: 4821-4821

    • DOI

      10.1038/s41467-020-18645-9

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      Physical Review B

      Volume: 102 Pages: 115418-115418

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.115418

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      Volume: 124 Pages: 227002-227002

    • DOI

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      Tanaka Tomoaki、Akiyama Kenta、Ichinokura Satoru、Shimizu Ryota、Hitosugi Taro、Hirahara Toru
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      Volume: 101 Pages: 205421-205421

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      10.1103/physrevb.101.205421

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      Applied Surface Science

      Volume: 509 Pages: 144687-144687

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2019.144687

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      Volume: 3 Pages: 034001-034001

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      T. Tanaka, K. Akiyama, S. Ichinokura, R. Shimizu, T. Hitosugi, and T. Hirahara
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      Volume: 43 Pages: 425-450

    • NAID

      40022024593

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      Hirahara Toru、Hasegawa Shuji
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      Volume: 113 Pages: 052401-052401

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      10.1063/1.5040546

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  • [Presentation] Bi1Te1薄膜の作製とその表面電子状態2019

    • Author(s)
      日下翔太郎,横山喜一,出田真一郎,田中清尚,佐々木泰祐,一ノ倉聖,宝野和博,平原徹
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      UVSORシンポジウム2019
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  • [Presentation] Li 照射による単原子層 h-BN の電子バンドシフト2019

    • Author(s)
      一ノ倉聖,Hemmi Adrian,清水亮太,一杉太郎,Greber Thomas,平原徹
    • Organizer
      2019年 日本表面真空学会学術講演会
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  • [Presentation] SrTiO3(001)-c(6×2)上に作成した単層FeSeの超伝導特性2019

    • Author(s)
      田中友晃, 秋山健太, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
    • Organizer
      2019年 日本表面真空学会学術講演会
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  • [Presentation] シリセン作製基板としてのCaF2 薄膜の成長2019

    • Author(s)
      高橋由弦, 一ノ倉聖, 横山喜一, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
    • Organizer
      2019年 日本表面真空学会学術講演会
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  • [Presentation] α-Al2O3(11-20)面における Nb(110)薄膜の成長2019

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      小林俊博, 一ノ倉聖, 平原徹
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      2019年 日本表面真空学会学術講演会
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  • [Presentation] Bi1Te1薄膜の作製とその表面電子状態2019

    • Author(s)
      日下翔太郎,横山喜一,出田真一郎,田中清尚,一ノ倉聖,平原徹
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      2019年 日本表面真空学会学術講演会
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      平原徹, 日下翔太郎, 深澤拓郎, 一ノ倉聖, 小林正起, 竹田幸治, 佐々木泰祐, 宝野和博, 白澤徹郎, 友弘雄太, 黒田眞司
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
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  • [Presentation] SrTiO3(001)-c(6×2)上の単層FeSeの超伝導特性2019

    • Author(s)
      田中友晃, 秋山健太, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
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      日本物理学会2019年秋季大会
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  • [Presentation] 超高真空中での電気伝導測定によるFeSe超薄膜/SrTiO3の超伝導の研究:界面の磁性原子による影響2019

    • Author(s)
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      日本物理学会2019年秋季大会
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  • [Presentation] Superconducting properties of single layer FeSe/STO-c6x22019

    • Author(s)
      T. Tanaka, K. Akiyama, S. Ichinokura, R. Shimizu, T. Hitosugi, and T. Hirahara
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      The 17th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (ICFSI-17)
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  • [Presentation] シリセン作製基板としてのCaF2 薄膜の成長2019

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      高橋由弦, 一ノ倉聖, 横山喜一, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
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      田中友晃, 秋山健太, 芳野諒, 一ノ倉聖, 平原徹
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      日本表面真空学会 2019年度 関東支部学術講演大会
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  • [Presentation] Bi(111)薄膜表面のSTM/STS 測定2019

    • Author(s)
      小林俊博,田中友晃,一ノ倉聖, 平原徹
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      日本表面真空学会 2019年度 関東支部学術講演大会
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  • [Presentation] SrTiO3基板上の単層FeSe薄膜の超伝導研究2019

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      平原 徹
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      平成30年度 東工大極低温研究支援センター研究発表会
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  • [Presentation] 磁性原子層埋め込みによるトポロジカル絶縁体の磁気拡張2019

    • Author(s)
      平原 徹
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      日本物理学会第74回年次大会 領域4,3,7,8,9シンポジウム 低次元トポロジカル絶縁体・スピン物性の新展開
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      深澤拓朗、横山喜一、白澤徹郎、一ノ倉聖、清水亮太、一杉太郎、平原徹
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
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  • [Presentation] シリセン作製基板としてのCaF_2薄膜の成長と電子状態評価2019

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      高橋由弦、一ノ倉聖、横山喜一、清水亮太、一杉太郎、平原徹
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      日本物理学会第74回年次大会
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      小林俊博、田中友晃、一ノ倉聖、平原徹
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      日本物理学会第74回年次大会
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  • [Presentation] Bi1Te1薄膜の作製とその表面電子状態2019

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      日下翔太郎、横山喜一、出田真一郎、田中清尚、一ノ倉聖、平原徹
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      日本物理学会第74回年次大会
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      日本物理学会第74回年次大会
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      Toru Hirahara
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      9th International Workshop on Bismuth-Containing Semiconductors
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      平原 徹
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      田中友晃, 秋山健太, 芳野諒, 平原徹
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      日本表面科学会第3回関東支部講演大会
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      日下翔太郎, 平原徹
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      日本物理学会2018年秋季大会
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      日本物理学会2018年秋季大会 2018年9月
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      奥山裕磨、石川諒、黒田眞司、平原徹
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      日本物理学会2018年秋季大会 2018年9月
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      UVSORシンポジウム2018
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      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
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      UVSORシンポジウム2018
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  • [Presentation] Band dispersion of Bi2Te3 with Mn and Te deposition and its temperature dependence2018

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      K. Yokoyama, Y. Okuyama, K. Miyamoto、S. Ideta, T. Okuda, K.Tanaka, T. Hirahara
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      BEC2018X
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    • Author(s)
      柚原淳司 監修
    • Total Pages
      369
    • Publisher
      NTS
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  • [Book] ポストグラフェン材料の創製と用途開発最前線2020

    • Author(s)
      監修者 柚原淳司  執筆者 平原徹(1-4 分担執筆)、他50名
    • Total Pages
      448
    • Publisher
      (株)エヌ・ティー・エス
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  • [Remarks] 平原研究室ホームページ

    • URL

      https://www.hiraharalab-phys-titech.com/

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  • [Remarks] http://www.surfnano.phys.titech.ac.jp/index.html

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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