クーパー対純スピン流計測の挑戦

• 研究課題/領域番号: 20K20443
• 補助金の研究課題番号: 19H05522 (2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2019)
• 審査区分: 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 白石 誠司 京都大学, 工学研究科, 教授 (30397682)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円); 2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2020年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 超伝導 / スピントロニクス / スピン偏極 / クーパー対 / トポロジカル超伝導 / カイラル / 原子膜 / スピン構造 / スピン計測 / スピン流 / トポロジー / トポロジカル / 純スピン流

研究開始時の研究の概要

トポロジカル超伝導体や遷移金属ダイカルコゲナイド超伝導体では、スピン軌道相互作用由来のスピンと運動量のロッキングによってクーパー対が自動的に純スピン流になることが申請者の考察から予想される。本提案では従来の物性物理において未発見のこのクーパー対純スピン流の計測に挑戦する。計測には代表者が得意とする電気的なスピン流計測手法を用い、材料としてはトポロジカル超伝導であると期待される原子膜遷移金属ダイカルコゲナイドを用いる。超伝導の実現を嚆矢として、そこにおけるクーパー対がもつスピン構造を上記計測手法で明らかにする。

研究実績の概要

超伝導状態で現れるクーパー対がスピン偏極を持てるか否か、は長年の重要な問題である。準粒子励起であるボゴリューボフ準粒子は純スピン流から転写されたスピン偏極情報を担い、しかもある程度の長距離のスピン輸送が実現できることが実証されているだけに、将来的なp波超伝導、さらにその向こうに存在するトポロジカル超伝導及びマヨラナ励起の観測を視野に入れて、研究を加速する必要がある。

本提案ではp波超伝導をホストしうる対称性の破れた超伝導体を対象として、電気化学ポテンシャルを計測する電気的スピン偏極測定技術をキー技術として研究を推進した。対象とする超伝導物質は層状の鉄系超伝導体(FeTeSe)として、比較対象としては通常のBCS系超伝導体であるNbを用いて研究を推進した。FeTeSeの上部臨界磁場を計測し、そのスピン構造が低次元系の超伝導体のそれを説明できることを実証し、さらに超伝導体ではないがトポロジカルに、かつ系の対称性の破れゆえにスピン偏極の出る層状ワイル半金属におけるスピン計測にも室温まで成功した。これらの成果をベースにFeTeSeのスピン偏極計測に挑戦し、p波性に由来すると期待できるスピン信号の萌芽を得た。

研究成果

• [雑誌論文] All-electric spin device operation using the Weyl semimetal, WTe2, at room temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Ohnishi, M. Aoki, R. Ohshima, E. Shigematsu, Y. Ando, T. Takenobu and M. Shiraishi
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 9 号: 1 ページ: 2200647-2200647
  • DOI: 10.1002/aelm.202200647
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical transport properties of atomically thin WSe₂ using perpendicular magnetic anisotropy metal contacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Gupta S.、Ohshima R.、Ando Y.、Endo T.、Miyata Y.、Shiraishi M.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 120 号: 1 ページ: 013102-013102
  • DOI: 10.1063/5.0079223
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of a superconducting state of a topological superconductor candidate, FeTe0.6Se0.4, equipping ferromagnetic electrodes with perpendicular magnetic anisotropy (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ohnishi, S. Gupta, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Matsuda, E. Shigematsu, R. Ohshima, Y. Ando and M. Shiraishi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 093002-093002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Approaching barrier free contacts to monolayer MoS2 based field effect transistor (2021)
  • 著者名/発表者名: G. Sachin, F. Rortais, R. Ohshima, Y. Ando, T. Endo, Y. Miyata and M. Shiraishi
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 13 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41427-021-00284-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ワイル半金属WTe2における室温スピン計測の実現 (2023)
  • 著者名/発表者名: 白石誠司、大西康介、青木基、大島諒、重松英、安藤裕一郎、竹延大志
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] All-electric measurement of perpendicularly spin polarization in Weyl semimetal, WTe2 , at room temperature. (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ohnishi, M. Aoki, E. Shigematsu , R. Ohshima , Y. Ando , T. Takenobu and M. Shiraishi
  • 学会等名: MMM 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of the upper critical field of possible Ising-type topological superconductor FeTe0.6Se0.4 with PMA electrodes (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ohnishi, S. Gupta E. Shigematsu, R. Ohshima, Y. Ando, M. Shiraishi, S. Kasahara, Y. Kasahara, Y. Matsuda
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 京都大学からのプレスリリース
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/52qrml
• [備考] プレスリリース内容がマイナビニュースに紹介されたもの
  • URL: https://news.mynavi.jp/techplus/article/20221012-2479343/
• [備考] 原子膜半導体のスピン機能開拓に前進
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-02-09