ディラック・磁性ワイル半金属薄膜における量子輸送現象の探索
| Project/Area Number |
18J13331
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Research Field |
Condensed matter physics II
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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| Research Fellow |
西早 辰一 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2020-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
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| Keywords | ディラック半金属 / ワイル半金属 / 薄膜 / 量子ホール効果 / 電界効果 / 表面状態 / トポロジカル相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカル半金属では、3次元的なバンド縮退点（ワイル点）の周囲で、伝導電子が質量ゼロのワイル粒子として振る舞い、特異な伝導現象や電磁気応答の発現が期待される。本研究の目的は、その中でも時間反転・空間反転対称性を保ち、2重縮退したワイル点のペアを持つディラック半金属物質Cd3As2の薄膜試料を用いて、ディラック半金属相及び磁性付与で誘起するワイル半金属相の量子輸送現象・電磁気応答の解明を行うことである。
パルスレーザー堆積法と高温アニールの手法によって高品質なCd3As2薄膜試料や、様々な磁性元素・Cdと同族のZn・Asと同族のSbをドープした混晶薄膜試料の作製を行い、磁気輸送特性の評価を行った。膜厚によってバルク状態の次元性を、電界効果によってフェルミレベルを、Zn置換によってディラック半金属から自明な絶縁体への相転移を制御することで、量子ホール効果の観測とその起源解明に成功した。特に、膜厚40nm以下では閉じ込め効果により2次元化したバルクのサブバンド状態、膜厚80nm以上では3次元バルクの非自明性に守られた表面状態がそれぞれ2次元量子化伝導の起源となっていることを明らかにした。また、トポロジカル半金属において予想される平行な電磁場下のカイラル異常についても、Zn置換によるトポロジカル相転移とホールバー形状を用いた正確な磁気抵抗測定を合わせることで、カイラル異常に由来した負性磁気抵抗成分の評価に成功した。これらはディラック半金属の薄膜化によって初めて起源解明または正確な評価が行えたものであり、本研究の成果はトポロジカル半金属相の物性探索を大いに促進させると期待される。
また、Cd3As2と固溶可能な磁性元素を継続して探索しており、強磁性化には至っていないものの、一部の3d磁性元素(Mn、Cr)置換では磁場中で有意な磁気モーメントや異常ホール効果の発現を観測した。
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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
磁性ワイル半金属相の創成に関しては、当初の年次計画どおり、ディラック半金属Cd3As2に対して様々な磁性元素置換を行い、構造解析、組成分析、磁化測定、磁気抵抗測定によって、磁性ワイル半金属相を実現する可能性のある置換候補を絞り込めている。それに加えて、ディラック半金属相での表面伝導とその量子化を新たに観測した。この成果は当初予見していなかった新たな発見であり、ワイル点を通してバルク状態と表面状態が結合する特異な伝導現象を解明する重要なものである。したがって、本研究は当初の計画以上の進展があったと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
Cd3As2への磁性付与による磁性ワイル半金属相の実現に向けては、継続して化学置換可能な磁性元素の探索範囲を広げつつ、一方で、磁性体薄膜・基板とのヘテロ界面を構成することで磁気近接効果を利用する。界面の制御は今回新しく発見した表面伝導現象を解明する観点からも重要な課題と考えられる。
磁性付与したCd3As2薄膜での磁気輸送特性を踏まえた上で、量子井戸構造での異常ホール効果の量子化、トランジスタ構造での電界効果による磁化制御、カイラル異常の非局所検出などを試み、磁性ワイル半金属相特有の輸送特性・電磁気応答を調べる。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
