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ファンデルワールス超薄膜・界面設計に基づく創発二次元物性開拓

研究課題

研究課題/領域番号 21K13888
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関東京大学 (2023)
国立研究開発法人理化学研究所 (2021-2022)

研究代表者

松岡 秀樹  東京大学, 生産技術研究所, 特任助教 (20897681)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
キーワードファンデルワールス物質 / 薄膜 / 磁性 / 超伝導 / 二次元
研究開始時の研究の概要

本研究では、二次元物質特有の対称性の破れと物理現象のカップリングに着目し、二次元物質薄膜の設計自由度の高さを生かした新現象を開拓する。特に物性研究において重要な役割を果たす二軸、「超伝導」と「磁性」に焦点を絞り、二次元物質の特長である設計自由度の高さと対称性制御を利用することで、バルクにはない創発二次元物性の開拓を目指す。

研究実績の概要

本研究では、ファンデルワールス結晶を薄膜化して得られる二次元物質において超伝導・磁性物性の開拓に臨む。本年度の研究では、以下の二点において成果があった。
①磁性研究の対象を、ファンデルワールス磁性体の一種であるテルル化クロムに拡張し、その磁性物性のゲート制御を行った。クロム化テルルは磁性体の中でも磁性半金属と呼ばれる物質の一つであり、その特異な電子状態に起因して多様な機能性を提供することが期待される。その一環として本研究ではクロム化テルルを対象としたゲートデバイスを作製し、ゲート電圧の印加によって磁気転移温度、磁気異方性といった磁気的性質を大幅に制御することに成功した。加えて、この制御において見られた非単調なゲート応答は、本物質における磁性が半金属的な電子状態と密接に関連することを示唆するものであった。本成果を論文にまとめ、学術雑誌において発表した。
②同じくテルル化クロムの薄膜において、トポロジカルホール効果と呼ばれる非自明な伝導現象を観測することに成功した。トポロジカルホール効果を発現する磁性体の開拓は次世代の磁気デバイスの実装にあたり重要であるが、本研究ではテルル化クロムがトポロジカルホール効果を発現し、それが室温かつゼロ磁場においても発現することを見出した。以上の結果により、磁性半金属の一種であるテルル化クロムという新たな物質系において、従来の物質系では見られないような劇的なゲート効果・伝導現象が観測されたことにより、磁性半金属を主役とする新原理スピントロニクスデバイスへの応用展開が期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度の特筆すべき進捗として、磁性半金属テルル化クロムにおけるゲート制御の実現が挙げられる。そもそも、電気が流れる磁性体の研究は、スピントロニクスデバイスへの応用展開の可能性から大きな注目を集めてきた。中でも、磁性半金属は、そのバンド構造におけるバンド交差点が磁性と関連し、多様な機能性を提供することが期待されている。
その応用の一つとして、ゲート電圧によって磁性を制御できるデバイス、すなわち磁性体ゲートデバイスの開発がある。磁性体ゲートデバイスの研究はこれまで主に金属磁性体や希薄磁性半導体を中心に精力的に行われてきた。一方で、磁性半金属を用いた磁性体ゲートデバイスでは、磁性半金属のバンド交差点付近に存在する伝導電子が、強磁性転移温度、磁気異方性、磁気輸送特性など、多岐にわたる磁性に影響を及ぼすことが期待されるが、磁性半金属は存在が希少ということもあり、そのような研究はほぼ行われてこなかった。
本研究では、ごく最近磁性半金属であることが明らかになったテルル化クロムという物質系に注目し、イオンのインターカレーションを利用したゲート技術を適用することで、テルル化クロムの磁性をゲート電圧で大きく変調することに成功した。具体的には、ゲート電圧を細かく変化させることでテルル化クロム中に存在する伝導電子の数を精密に制御したところ、強磁性転移温度の大幅な上昇や、面直磁気異方性と面内磁気異方性の完全な切り替え、さらには異常ホール効果と呼ばれる磁気輸送現象の符号反転などの劇的な変化が観測された。特に興味深いのは、これらの磁性を特徴付ける性質が、ゲート電圧に対して非単調に切り替わる点であり、磁性半金属特有の特異な伝導電子がその本質的な役割を担っていることが示唆される結果が得られた。

今後の研究の推進方策

今後は、テルル化クロムにおいて観測されたトポロジカルホール効果について、その詳細を明らかにしつつ論文化を目指す。特に、テルル化クロムは上述の通りゲートによる制御が効果的である物質であることから、トポロジカルホール効果自体をのゲートによって制御できることが期待される。もしトポロジカルホール効果が、室温かつゼロ磁場で制御できれば本物質を活用することによる磁性半金属を主役とする、新しいスピントロニクスデバイス技術への応用展開が期待できる。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 7件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Band-driven switching of magnetism in a van der Waals magnetic semimetal2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka Hideki、Kajihara Shun、Nomoto Takuya、Wang Yue、Hirayama Motoaki、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 10 号: 15

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk1415

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spontaneous spin-valley polarization in NbSe2 at a van der Waals interface2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka Hideki、Habe Tetsuro、Iwasa Yoshihiro、Koshino Mikito、Nakano Masaki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1 ページ: 5129-5129

    • DOI

      10.1038/s41467-022-32810-2

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film2022

    • 著者名/発表者名
      Saika Bruno Kenichi、Hamao Satoshi、Majima Yuki、Huang Xiang、Matsuoka Hideki、Yoshida Satoshi、Kitamura Miho、Sakano Masato、Hatanaka Tatsuto、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki、Ishizaka Kyoko
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 4 号: 4 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.4.l042021

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Layer-Number-Independent Two-Dimensional Ferromagnetism in Cr3Te42022

    • 著者名/発表者名
      Wang Yue、Kajihara Shun、Matsuoka Hideki、Saika Bruno Kenichi、Yamagami Kohei、Takeda Yukiharu、Wadati Hiroki、Ishizaka Kyoko、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 22 号: 24 ページ: 9964-9971

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c03532

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast switching to an insulating-like metastable state by amplitudon excitation of a charge density wave2021

    • 著者名/発表者名
      N. Yoshikawa, H. Suganuma, H. Matsuoka, Y. Tanaka, P. Hemme, M. Cazayous, Y. Gallais, M. Nakano, Y. Iwasa, R. Shimano
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 17 号: 8 ページ: 909-914

    • DOI

      10.1038/s41567-021-01267-3

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Gate-tuning of magnetism in a van der Waalsmagnetic semimetal Cr3Te42024

    • 著者名/発表者名
      Hideki Matsuoka, Shun Kajihara, Takuya Nomoto, Yue Wang, Yoshihiro Iwasa and Masaki Nakano
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二次元ラシュバ-イジング複合型超伝導体における非相反輸送特性2023

    • 著者名/発表者名
      松岡 秀樹, 川本 知輝, 遠藤 幹大, 武藏 摩紀, 田中 勇貴, 中野 匡規, 岩佐 義宏
    • 学会等名
      日本物理学会2023年秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ラシュバ-イジング層状物質3R-TaSe2における超伝導ダイオード効果2023

    • 著者名/発表者名
      松岡 秀樹, 川本 知輝, 遠藤 幹大, 武藏 摩紀, 田中 勇貴, 中野 匡規, 岩佐 義宏
    • 学会等名
      応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Gate-tunable magnetic semimetals2023

    • 著者名/発表者名
      Hideki Matsuoka
    • 学会等名
      Germany-Japan Workshop on Recent Developments in Quantum Materials and Nanoscale Devices
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spin-valley polarization in NbSe2 at van der Waals interface2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka H., Habe T., Iwasa Y., Koshino M. & Nakano M
    • 学会等名
      APS March Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonreciprocal transport properties in a polar Ising superconductor2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka H., Musashi M., Tanaka Y., Endo K., Ogawa N., Iwasa Y., Nakano M
    • 学会等名
      Recent Progress in Graphene Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Van der Waals interfacial proximity effect induced spin polarization in NbSe22022

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka H., Habe T., Iwasa Y., Koshino M. & Nakano M
    • 学会等名
      Recent Progress in Graphene Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 極性イジング超伝導体におけるバルク整流効果2022

    • 著者名/発表者名
      松岡 秀樹, 武藏 摩紀, 田中 勇貴, 遠藤 幹大, 小川 直毅, 岩佐 義宏, 中野 匡規
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Ferromagnetic state in NbSe2 at van der Waals interface2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka H., Habe T., Iwasa Y., Koshino M. & Nakano M
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magneto-transport properties of the V5Se8 / NbSe2 van der Waals heterostructures2021

    • 著者名/発表者名
      Hideki Matsuoka, Masaki Nakano, Stewart Edward Barnes, Jun'ichi Ieda, Sadamichi Maekawa, Mohammad Saeed Bahramy, Bruno Kenichi Saika, Yukiharu Takeda, Hiroki Wadati, Yue Wang, Satoshi Yoshida, Kyoko Ishizaka, Yoshihiro Iwasa
    • 学会等名
      RPGR 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [図書] 固体物理「2次元ファンデルワールス超構造のMBE成長と輸送特性」2023

    • 著者名/発表者名
      松岡秀樹・中野匡規
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      アグネ技術センター
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 二次元金属に「フェロバレー強磁性」を誘起することに成功

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2022/20220916_1/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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