スピン偏極イオン散乱分光法を用いた電流誘起スピン偏極の研究

• 研究課題/領域番号: 15J11055
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 一ノ倉 聖 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 2,170千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 原子核散乱 / 低速イオン散乱 / スピン偏極イオン / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / 超伝導スピントロニクス

研究実績の概要

本年度は物質・材料研究機構との共同研究の兼ね合いから、イオン散乱分光を中心として研究を進めることはできなかった。そのため、昨年度に引き続き、電流誘起スピン偏極が期待できる物質群、すなわち大きなスピン軌道相互作用と高い導電性を持つ物質の探索を行った。
昨年度、表面超構造シリコン表面上に作製するタリウム・鉛合金[Si(111)-√3×√3-(Tl, Pb)]が強いスピン軌道相互作用によって大きくスピン分裂したバンドを持ち、さらに2.3 Kにおいて超伝導を示すことを報告した。本年度は考察を進め、バンド分散の温度変化から求められていた強い電子格子相互作用(λ～1.6)が超伝導に寄与していると結論し、表面科学会誌で報告した。これらの性質から非従来型超伝導、特に、スピン分裂の大きさとフェルミエネルギーの比が0.1程度に達することから、一重項‐三重項混成などの特異なスピン構造を持つ超伝導状態が期待される。極低温におけるSTM実験も行い、超伝導ギャップを観測した。そのギャップの定量的な解釈のため、議論を進めている。
他にも、シリコン上のタリウム２原子層[Si(111)-6x6-Tl]を再現性良く作製する方法を見出し、0.96 Kにおいて超伝導を示すことを発見した。スピン軌道相互作用と超伝導の関連は明らかでないが、6x6-Tlでは超伝導―金属―絶縁体転移が起きており、金属状態がBose金属というモデルで説明できることがわかった。これらの結果をまとめた投稿論文は2D Materials誌に掲載された。
このように、本研究では様々な新奇ラシュバ物質を見出し、電流誘起スピン偏極のようなスピントロニクス現象と超伝導の融合的研究に発展する成果を得た。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] IACP FEB RAS/FEFU/VSUES(ロシア連邦)
• [国際共同研究] 自動制御プロセス研究所/ロシア科学アカデミー/ウラジオストク大学(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Superconductivity in thallium double atomic layer and transition into an insulating phase intermediated by a quantum metal state (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, L. Bondarenko, A. Tupchaya, D. Gruznev, A. Zotov, A. Saranin, and S. Hasegawa
  • 雑誌名: 2D Materials 巻: 4 号: 2 ページ: 025020-025030
  • DOI: 10.1088/2053-1583/aa57f9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] <i>In situ</i>電気伝導測定によるRashba型表面構造（Tl, Pb)/Si(111)の超伝導の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 保原麗, 高山あかり, 長谷川修司, Andrey V. MATETSKIY, Leonid V. BONDARENKO, Alexandra Y. TUPCHAYA, Dimitry V. GRUZNEV, Andrey V. ZOTOV, Alexander A. SARANIN
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 37 号: 8 ページ: 363-368
  • DOI: 10.1380/jsssj.37.363
  • NAID: 130005405086
  • ISSN: 0388-5321, 1881-4743
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superconducting Calcium-Intercalated Bilayer Graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoru Ichinokura, Katsuaki Sugawara, Akari Takayama, Takashi Takahashi, and Shuji Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 10 号: 2 ページ: 2761-2765
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b07848
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ビスマス表面におけるスピン依存イオン散乱 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖、平原徹、酒井治、長谷川修司、鈴木拓
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 36 ページ: 208-411
  • NAID: 130005093814
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-Dimensional Superconductor with a Giant Rashba Effect: One-Atom-Layer Tl-Pb Compound on Si(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: A. V. Matetskiy, S. Ichinokura, L. V. Bondarenko, A. Y. Tupchaya, D. V. Gruznev, A. V. Zotov, A. A. Saranin, R. Hobara, A. Takayama, and S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 号: 14 ページ: 147003-147003
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.147003
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Superconducting properties of Tl double atomic layer on Si(111) (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, L. Bondarenko, A. Tupchaya, D. Gruznev, A. Zotov, A. Saranin, and S. Hasegawa
  • 学会等名: The 2nd Asia-Pacific Symposium on Solid Surfaces and Cross-Strait Symposium on Solid Surfaces
  • 発表場所: Taipei（Taiwan）
  • 年月日: 2016-11-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Si(111)-1x1-Tl表面上に作製したTl単原子層における超伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖，L. V. Bondarenko，A. Y. Tupchaya，D. V. Gruznev，A. V. Zotov，A. A. Saranin
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学(石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Superconductivity in Ca-intercalated Bilayer Graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 20th International Vacuum Congress (IVC-20)
  • 発表場所: Busan（Korea）
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Atomically Thinned Two-dimensional Superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, A. V. Matetskiy, L. V. Bondarenko, A. Y. Tupchaya, D. V. Gruznev, A. V. Zotov, A. A. Saranin, and S. Hasegawa
  • 学会等名: 66th Lindau Nobel Laureate Meeting
  • 発表場所: Lindau（Germany）
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会
• [学会発表] Superconductivity in Calcium-Intercalated Bilayer Graphene: Detected by in situ Resistivity Measurements in Ultrahigh Vacuum (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, S. Hasegawa
  • 学会等名: 1st International Conference Graphene and related Materials: Properties and Applications
  • 発表場所: Paestum（Italy）
  • 年月日: 2016-05-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ca-インターカレートした二層グラフェンにおける超伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖、菅原克明、高山あかり、高橋隆、長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第71会年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] カルシウムをインターカレートした２層グラフェンにおける超伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖，菅原克明，高山あかり，高橋隆，長谷川修司
  • 学会等名: 表面科学会 第１回関東支部講演大会
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区)
• [学会発表] in situ電気伝導測定によるRashba系表面構造(Tl, Pb)/Si(111)の超伝導の観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: ノ倉聖、A. V. Matetskiy、L. V. Bondarenko、A. Y. Tupchaya、D. V. Gruznev、A. V. Zotov、保原麗、秋山了太、高山あかり、A.A. Saranin、長谷川修司
  • 学会等名: 第35回表面科学学術講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] Rashba系表面構造(Tl, Pb)/Si(111)における二次元超伝導: in situ電気伝導測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖、A. V. Matetskiy、L. V. Bondarenko、A. Y. Tupchaya、D. V. Gruznev、A. V. Zotov、保原麗、秋山了太、高山あかり、A.A. Saranin、長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪府・吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [備考] グラフェンの超伝導化に成功
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2016/4597/