| 研究課題/領域番号 |
22KF0124
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| 補助金の研究課題番号 |
22F22742 (2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2022) |
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| 応募区分 | 外国 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
Hirschberger Maximilian (ヒルシュベルガーマックス) 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70871482)
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| 研究分担者 |
ESSER SEBASTIAN 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 外国人特別研究員
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2024年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
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| キーワード | 酸化物合成 / パルスレーザー堆積 / 酸化膜の形成 / Josephson diode / 銅酸化物超伝導体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
電流が一方向には抵抗なく流れ、逆方向には高い抵抗がかかる超伝導ダイオード（SD）の実現に向けて、本研究では酸化物ヘテロ界面に着目しました。SDは高効率の整流器であり、振動する（交流）電流を静止する（直流）電流に変換することができます。また、整流効果により、将来の「Beyond-5G」技術に関連するテラヘルツ波などの電磁波を効率よく検出できる可能性を秘めています。申請者のパルスレーザー堆積法に関する豊富な経験を生かし、銅酸化物超伝導体（SC）と金属酸化物の界面に基づく超伝導ダイオードの実現を目指します。
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| 研究実績の概要 |
このプロジェクトの目的は、銅酸化物超伝導体（SC）と金属酸化物、特にペロブスカイト構造の（Ca/Sr）（Ru/Ir）O3との人工界面における超伝導ダイオード（SD）効果の研究です。超伝導ダイオードでは、ある物質が一方向の電流に対しては抵抗がゼロになる一方、逆方向には抵抗が大きくなります。このようなデバイスは、振動する（交流）電流を静止する（直流）電流に変換する整流に有用と考えられています。同様に、次世代技術「beyond-5G」の実現に不可欠なテラヘルツ光などの電磁波の整流にも期待されています。銅酸化物は、超伝導ペアリングのエネルギースケールが高く、高温（70K以上）での超伝導ダイオードの実現が期待できるため、銅酸化物を選択しました。
まず、La2-xSrxCuO4（LSCO）の粉末を従来の箱型炉で固相反応により合成しました。これらの粉末を特性評価し、パルスレーザー堆積成長に適したペレットにプレスしました。LSCOの成膜には、理化学研究所創発物性科学研究センター（和光市）のパルスレーザー成膜装置#7を使用しました。基板材料としては、LSCOの格子構造や格子定数によくマッチする、（100）面配向のLaAlO3（LAO）を選択しました。さらに、基板温度、チャンバー内の酸素圧力、レーザーの集光点など、成長パラメータを系統的に変化させました。
しかし、成長パラメーターの最適化を図り、20枚以上の膜を合成したにもかかわらず、チャンバー#7で15ナノメートル以上の厚さの膜を成膜することはできませんでした。その理由は、原料（ターゲット）と基板（成膜する場所）の距離が遠すぎたためです。そこで、2023年3月に別の成長チャンバーに変更しました。この2つ目のチャンバーで合成を試みたところ、ターゲットから基板への材料移動が少なくとも2倍以上増加し、良好な結晶性とシャープな超伝導転移が確認されました。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の研究計画では、LaAlO3（LAO）基板上の最適ドープ銅酸化物La2-xSrxCuO4（LSCO）の合成を最適化して2022年度末までに完了し、超伝導転移温度を最大化（～40K）するとともに金属ペロブスカイト酸化物との複合構造を成長できるように表面を滑らかにする必要がありました。2023年度には、（a）金属トップ層を導入し、（b）LSCOの基板誘起歪みを利用して金属トップ層の結晶化を順次向上させることを計画しています。
上記のように、チャンバー#7での材料移動が予想外に少なかったため、これまでのところ、LSCOの成長パラメータは大まかにしか決定されていません。しかし、得られた情報は、新しいタイプの基板である（001）配向SrLaGaO4での作業を開始するのに十分なものです。この基板の格子定数は、金属トップ層の成長に適しており、上述の(a)と(b)の目標を同時に達成することができます。この戦略により、2022年度に失われた時間を補うことを目指します。
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| 今後の研究の推進方策 |
LaxSrxCuO4（LSCO）は、金属ペロブスカイト酸化物（Ca/Sr）（Ru/Ir）O3トップ層と組み合わせる予定です。2023年度には、このヘテロ構造に最適な基板であるSrLaGaO4上でのLSCOの合成を開始する予定です。その適性は、格子型と格子定数の検討から決定されました。その後、重金属酸化物トップ層を導入することで、SC膜に強いスピン軌道相互作用を付与しました。ヘテロ構造の品質は、SCの相転移のシャープさとヘテロ構造界面の原子的シャープさによって判断されます。後者は理研の透過型電子顕微鏡で観察することができ、界面での明確な反転対称性の破れを確認することができます。特に、金属酸化物最上層の理想的な成長条件を実現するために、さまざまな基板からLSCOに与えられる歪みを調整することが課題となっています。さらに、界面の試料品質を最適化するために、アニールとベーキングのルーチンを開発する必要があります。最適化された成長条件と膜の基本的な特性は、2023年度後半から科学雑誌への掲載や学会での発表が可能になることを期待しています。
また、2022年度の集中的な研究と科学的な議論により、トップ層を持たない高品質のLSCOの薄膜でも、反転対称性の破れにより電子構造が変化している可能性があることが判明しました。そこで、私たちは、対象とするヘテロ構造とLSCO薄膜の両方で輸送現象を研究し、非線形効果を探索し、最終的には酸化物超伝導体の超伝導ダイオードを実現することを目指しています。このような研究を促進し、超伝導状態への遷移付近の領域で非線形抵抗測定を行うために、（100）配向LaAlO3（LAO）上の純粋でほぼ無歪のLSCOをさらに最適化することを計画しています。
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