| 研究課題/領域番号 |
22H00109
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分13:物性物理学およびその関連分野
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
酒井 英明 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (20534598)
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| 研究分担者 |
木俣 基 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (20462517)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)
2025年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
2022年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円)
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| キーワード | ディラック電子系 / 非相反伝導 / スピン・バレー結合 / ディラック電子 / 非相反効果 / 量子ホール効果 / ディラック半金属 / 微細加工 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
超高易動度など優れた伝導を示す固体中のディラック電子は、スピンやバレー自由度が偏極することで、非相反・非線形性などの新機能が付与されることが明らかとなり注目を集めている。本研究では、極性を持つ層状ディラック電子系AMnX2で実現するスピンとバレーが結合した偏極状態を、バルクならではの元素置換や外部制御により幅広く変化させ、非相反・非線形伝導のメカニズム解明と巨大化を目指す。また、純良単結晶に多彩な微細加工を施し、超高易動度のディラック電子特有の量子ホール状態や電子流体状態を実現することにより、従来にない新奇非相反・非線形応答を開拓する
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| 研究実績の概要 |
本研究では、極性・磁性を持つディラック・ワイル半金属を対象に、元素置換や外部からの応力・圧力印加により、ディラック・ワイル電子状態のスピン・バレー結合、スピン分裂、ベリー位相、キャリア濃度を系統的に制御することで、非相反・非線形伝導の微視的メカニズムを解明し、その効果の巨大化を目指すことである。本年度は、まず極性をもつ層状ディラック半金属BaMnX2を対象に研究を進めた。本物質系の基本物質であるX=Sbにおいて、FIBによる微細加工法とマイクロデバイスにおける非相反抵抗測定法を確立し、非相反・非線形伝導の基礎特性を解明した。この結果、極性、電流、磁場方向が全て直行する配置でのみ非相反伝導が発現することを見出した。本物質では、非相反伝導が常伝導状態で観測できるため、幅広い温度領域において磁場依存性を詳細に解明することができた。さらに、スピン・バレー結合状態に対する非相反・非線形伝導の依存性を実験的に明らかにすることを目的に、XサイトをSbよりもスピン軌道相互作用の強いBiで元素置換したX=Biでの測定に向けた準備を進めた。X=BiはX=Sbに比べ極性ドメインのサイズが小さいため、単結晶の準備と微細加工の方法を試行錯誤し、単一ドメインでの測定方法を再検討した。また、BaMnX2の応力印加によるスピン・バレー状態と非相反伝導の制御を目指し、外部から応力印加が可能な超電導マグネット用プローブを作製し、低温での歪みのサイズを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
極性をもつ層状ディラック半金属BaMnX2 (X=Sb) の単結晶には、極性方向が90度異なるツインドメインが存在している。そこで、偏光顕微鏡による事前観察を行い、単一ドメイン領域を特定した後、FIBにより単一ドメインの中にデバイスを微細加工する手法を確立した。この結果、単結晶の単一ドメイン内において、電流方向が極性に垂直と平行となる二種類のデバイスの作製に成功した。非相反伝導の測定には交流ロックイン法を採用し、電圧の第二次高調波を検出することにより、非相反抵抗率を算出した。この結果、電流方向が極性に垂直なデバイスでは非相反効果が顕著に観測されるが、電流方向が極性と平行なデバイスではほぼ観測されないことを実験的に明らかにした。さらに、回転磁場中で非相反抵抗を測定することにより、非相反効果の磁場方位依存性を定量的に解明できた。
X=Biでは、X=Sbに比べ、極性歪みが小さいため、ツインドメインのサイズもより小さい傾向がある。そこで、as-grownの単結晶のへき開方法を工夫することにより、単一ドメインを拡大できることを見出したため、この手法とFIB加工を組み合わせることで、X=Biでの非相反抵抗率の測定が可能となる見込みである。
応力印加プローブの制作においては、ピエゾ素子を装着するシャーシの形状を最適化することにより、印加応力を二倍以上大きくできることを実証した。
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| 今後の研究の推進方策 |
極性をもつ層状ディラック半金属BaMnX2では、X元素によりスピン・バレー結合状態を制御できる利点を活かし、非相反伝導に対するスピン・バレー結合の影響を実験的に解明することを目指す。本年度確立したX=Biにおける微細加工により、電流方向が極性に垂直・平行の2つのデバイスを作製することにより、X=Biの非相反抵抗率の測定を実施する。これにより、電流・極性・磁場の方向に対する選択則を確認し、非相反抵抗率の磁場・温度依存性を解明することを目指す。得られた結果を、X=Sbとの結果を比較することにより、スピン・バレー結合状態が非相反伝導に与える効果を議論する。また、第一原理計算の結果と比較することで、微視的なメカニズムについて考察する。
さらに、元素置換によるスピン・バレー結合状態の制御に加え、外部応力による制御を行い、非相反伝導の変化を解明することを目指す。外部応力によるスピン・バレー結合状態の変化は量子振動の変化から明らかにできると考えている。ただし、2022年度終盤に超電導マグネットの断熱真空槽に原因不明のリークが発生してしまい、現在は実験遂行が不可能となってしまった。そこで、2023年度はまず超電導マグネットのリークの原因を早急に突き止め、修理を行い、低温・磁場中で応力印加できる環境を再構築することを目指す。
また、流体伝導の検出を目指したマイクロデバイスの設計と微細加工の試作を実施し、予備実験を開始する。このため、ドイツのマックスプランク研究所に滞在し、実験を行う予定である。
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