単層2次元トポロジカル結晶絶縁体の開発と、超伝導体との接合による協奏現象の探求

• 研究領域: トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア
• 研究課題/領域番号: 16H00983
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 秋山 了太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2017年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2016年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: トポロジカル超伝導 / トポロジカル絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 量子異常ホール効果 / 薄膜 / 偏極中性子反射率法 / 角度分解光電子分光法 / スピン注入 / マヨラナ粒子 / 超伝導 / 2次元系 / 原子層物質 / トポロジカル結晶絶縁体 / 弱反局在効果 / 狭ギャップ半導体 / バンドエンジニアリング / MBE / シュブニコフドハース振動 / 二次元系

研究実績の概要

本研究ではトポロジカル（結晶）絶縁体を物質として用い、その性質解明、およびそれを用いた新しい系における現象の観測に力点をおいた。具体的に得られた研究実績は以下の通りである。
１．SnTe/Bi界面においてトポロジカル超伝導である可能性がある二次元超伝導の実現　ミスフィット転位によってSnTeとBiの界面に超伝導を誘起し、トポロジカル超伝導候補物質を発見した。２．√3×√3-Bi上における平坦SnTe薄膜の作製　絶縁体であるSi(111)√上の3×√3-Bi上にSnTeを成長したところ、RMS~0.36nmという原子ステップに近い非常に平坦な膜が作製できた。３．トポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTe(111)薄膜における表面状態の観測。　Pb1-xSnxTe:SbにおいてARPESで入射光子エネルギーに依存しない２次元バンドを観測した。また、PbTeにおいては初めて大きな2次元Rashba分裂バンドを観測した。４．トポロジカル絶縁体と強磁性体MnTeのヘテロ接合の作製とその評価　トポロジカル絶縁体(BixSb1-x)2Te3と強磁性体のMnTeのヘテロ接合を作製した。磁化測定によって試料は室温以上の強磁性転移温度を持つことが分かり、低温では異常ホール効果も観測され、量子異常ホール効果に対して有望な系であることが分かった。５．Fe/SnTeに対するスピンポンピング法によるスピン注入　SnTeとFeのヘテロ構造に対してマイクロ波を照射し、Fe層で磁化が歳差運動し、スピン流が誘起されてSnTe層へと注入されたことが実証された。６．Fe/SnTeにおける偏極中性子反射法による強磁性proximity効果の検証　偏極中性子反射率法によってFeの強磁性のSnTeへのproximity効果について測定を行った。結果、SnTe表面から深さ3nm程度まで強磁性秩序が生じていることが分かった。

現在までの達成度 (段落)

29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

29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] Inst. of Str. Phys. and Mat. Sci./Tomsk State University/Saint Petersburg State University(ロシア連邦)
• [国際共同研究] Dep. de Fisica de Materiales UPV/EHU/DIPC(スペイン)
• [国際共同研究] Novosibirsk State University/V.S. Sobolev Inst. of Geo. and Mine./A.V. Rzhanov Inst. of Semicon. Phys.(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ノヴォシヴビルスク州立大学/サンクトペテルブルク州立大学/ソボレフ地質学・鉱物学研究所(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Observation of the inverse spin Hall effect in the topological crystalline insulator SnTe using spin pumping (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinobu Ohya, Akiyori Yamamoto, Tomonari Yamaguchi, Ryo Ishikawa, Ryota Akiyama, Le Duc Anh, Shobhit Goel, Yuki K. Wakabayashi, Shinji Kuroda, Masaaki Tanaka
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 9 ページ: 094424-094424
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.094424
  • NAID: 120007134820
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, E. V. Chulkov
  • 雑誌名: NANO Letters 巻: 17 号: 6 ページ: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Berry phase shift from 2π to π in bilayer graphene by Li-intercalation and sequential desorption (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Akiyama, Y. Takano, Y. Endo, S. Ichinokura, R. Nakanishi, K. Nomura, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 110 号: 23 ページ: 233106-233106
  • DOI: 10.1063/1.4984958
  • 査読あり
• [雑誌論文] Berry phase shift from 2π to π in Bilayer graphene by Li-intercalation and sequential desorption (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Yuma Takano, Yukihiro Endo, Satoru Ichinokura, Ryosuke Nakanishi, Kentaro Nomura, and Shuji Hasegawa
  • 雑誌名: arXiv 巻: 1701.0393
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Shubnikov-de Haas oscillations in p and n-type topological insulator (BixSb1－x)2Te3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shuji Hasegawa
  • 雑誌名: arXiv 巻: 1701.00137
  • 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Origin of the large positive magnetoresistance of Ge1－xMnx granular thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Wakabayashi, R. Akiyama, Y. Takeda, M. Horio, G. Shibata, S. Sakamoto, Y. Ban, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 号: 1 ページ: 144171-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.014417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thin film growth of a topological crystal insulator SnTe on the CdTe (111) surface by molecular beam epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryo Ishikawa, Tomonari Yamaguchi, Yusuke Ohtaki, Ryota Akiyama, Shinji Kuroda
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 453 ページ: 124-129
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.08.027
  • 査読あり
• [学会発表] Sbドープトポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTe(111)薄膜における2次元バンドの観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太, 大滝祐輔, 伊藤寛史, 中西亮介, 宮内恵太, Eike Schwier, 木村昭夫, 島田賢也, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 黒田眞司, 長谷川修司
  • 学会等名: 2018年春季日本物理学会
• [学会発表] Photoinduced Inverse Spin Hall effect on Bi2Se3 thin film (2018)
  • 著者名/発表者名: Di Fan, Rei Hobara, Ryota Akiyama, Akari Takayama, Shuji Hasegawa
  • 学会等名: 2018年春季日本物理学会
• [学会発表] トポロジカル(結晶)絶縁体/強磁性体ヘテロ構造における磁性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 秋山 了太
  • 学会等名: 平成２９年度薄膜・界面研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 独立 4 探針STM を用いた水素終端SrTiO3表面の輸送特性の in situ 評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武内康範, 秋山了太, 保原麗, 高山あかり, 一ノ倉聖, 湯川龍, 松田巌, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面科学会 第2回関東支部講演大会
• [学会発表] Ge 基板上 Tl, Pb 合金系表面超構造における超伝導の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村友謙,一ノ倉聖,高山あかり,秋山了太, ZotovA. V.,SaraninA. A.,長谷川修司
  • 学会等名: 真空・表面科学合同講演会
• [学会発表] Ge(111)-√3×√3-(Tl, Pb)における超伝導転移の in situ 4端子測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村友謙, 一ノ倉聖, 高山あかり, 秋山了太, A. V. Zotov, A. A. Saranin, 長谷川修司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] MBE法により成長したIV-VI族希薄磁性半導体(Sn,Mn)Teの構造と磁性の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石川諒, 伊藤寛史, 秋山了太, 仁谷浩明, 黒田眞司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] トポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜のPbTe表面へのMBE成長および電気伝導特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤寛史, 大滝祐輔, 石川諒, 秋山了太, 黒田眞司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] Tlドープトポロジカル結晶絶縁体SnTeの構造・電気伝導特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太, 渡辺和己, 中西亮介, 宮内恵太, 長谷川修司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] 微傾斜Si(111)-√3×√3-Bi上でのトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜の成長とその構造・伝導評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中西亮介, 秋山了太, 鎮西弘毅, 福居直哉, 豊田良順, 西原寛, 長谷川修司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] 水素終端したSrTiO3表面の2次元伝導層の輸送特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武内康範, 秋山了太, 保原麗, 高山あかり, 一ノ倉聖, 湯川龍, 松田巌, 長谷川修司
  • 学会等名: 2017年秋季日本物理学会
• [学会発表] SrTiO3(001)上への FeSe 薄膜の成長と in situ 電気伝導評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 武内 康範、保原麗、秋山了太、高山あかり、一ノ倉聖、湯川龍、松田巌、長谷川修司
  • 学会等名: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
• [学会発表] Au(111)上への青リンのエピタキシャル成長とその評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮内 恵太、秋山了太、中西亮介、遠藤裕大、長谷川修司
  • 学会等名: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
• [学会発表] Bi(111)/Si(111)テンプレート上におけるトポロジカル結晶絶縁体 SnTe 薄膜の成長とその評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中西 亮介、秋山了太、長谷川修司
  • 学会等名: 強磁場コラボラトリーが拓く未踏計測領域への挑戦と物質・材料科学の最先端
  • 招待講演
• [学会発表] Heterostructure of a topological insulator/magnetic insulator ultrathin film (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Okuyama, S.V. Eremeeev, R. Nakanishi, R. Akiyama, T. Shirasawa, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ideta, K. Tanaka, E.V. Chulkov, S. Hasegawa and T. Hirahara
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Weak localization in bilayer graphene with Li-intercalation/desorption (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Endo, S. Ichinokura, R. Akiyama, A. Takayama, K. Sugawara, T. Takahashi, K. Nomura and S. Hasegawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of helicity-dependent photocurrent in strong spin-orbit coupling materials (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Fan, R. Hobara, R. Akiyama, A. Takayama and S. Hasegawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Two-dimensional conducting layer on SrTiO3 surface induced by hydrogenation (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, R. Akiyama, R. Hobara, A. Takayama, S. Ichinokura, R. Yukawa, I. Matsuda and S. Hasegawa
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of the surface Dirac cone in Sb-doped PbxSn1-xTe(111) thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Tomonari Yamaguchi, Yusuke Otaki, Ryo Ishikawa, Ryosuke Nakanishi, Di Fan, Hitoshi Sato, Kenichi Shimada, Eike F. Schwier, Koji Miyamoto, Akio Kimura, Shuji Hasegawa, and Shinji Kuroda
  • 学会等名: New Trends in Topological Insulators 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Si(111)-√3×√3-Bi上に成長したトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜へのLiドーピング効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中西亮介, 秋山了太, 鎮西弘毅, 長谷川修司
  • 学会等名: 2017年春季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
• [学会発表] トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体超薄膜ヘテロ接合II：磁化特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中西亮介, 秋山了太, 奥山裕磨, 高木康多, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov, 横山利彦, 長谷川修司, 平原徹
  • 学会等名: 2017年春季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府豊中市）
• [学会発表] Fabrication and evaluation of high-quality PbxSn1-xTe thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山 了太、中西 亮介、ファン ディ、山口 智也、大滝 祐輔、石川 諒、黒田 眞司、木村 昭夫、佐藤 仁、長谷川 修司
  • 学会等名: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of Li-doping into topological crystalline insulator SnTe thin films on Si(111)-√3×√3-Bi (2016)
  • 著者名/発表者名: 中西 亮介、秋山 了太、鎮西 弘毅、長谷川 修司
  • 学会等名: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] トポロジカル結晶絶縁体(Pb,Sn)Te薄膜のキャリア密度制御および表面状態観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大滝祐輔, 山口智也, 石川諒, 黒田眞司, 中西亮介, D. Fan, 秋山了太, 長谷川修司, 宮本幸治, 佐藤仁, 木村昭夫
  • 学会等名: 第二回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] Observation of the Shubnikov-de Haas oscillation in topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 flakes (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko and Shuji Hasegawa
  • 学会等名: IVC-20
  • 発表場所: 釜山（韓国）
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical resistance across atomic steps on topological insulator Pb-doped Bi2Te3 surface (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoya Fukui, Rei Hobara, Akari Takayama, Ryota Akiyama, Shuji Hasegawa
  • 学会等名: IVC-20
  • 発表場所: 釜山（韓国）
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Transport properties of bilayer graphene studied by in situ four-point probe resistance measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: Yukihiro Endo, Ichinokura Satoru, Katsuaki Suzuki, Katsuaki Sugawara, Ryota Akiyama, Akari Takayama, Takashi Takahashi, Syuji Hasegawa
  • 学会等名: IVC-20
  • 発表場所: 釜山（韓国）
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Helicity-dependent photovoltaic effect on Bi and Bi/Ag thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: Di Fan, Hirotaka Ishihara, Ryota Akiyama, Rei Hobara, Akari Takayama, Shuji Hasegawa
  • 学会等名: IVC-20
  • 発表場所: 釜山（韓国）
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Spin-splitting Surface States in Bi and Bi/Ag Thin Films by Photogalvanic Effect (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Akiyama, H. Ishihara, D. Fan, R. Hobara, A. Takayama, and S. Hasegawa
  • 学会等名: PASPS-9
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of the large positive magnetoresistance in Ge1-xMnx granular films (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki K. Wakabayashi, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Masafumi Horio, Goro Shibata, Shoya Sakamoto, Yoshisuke Ban, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
  • 学会等名: PASPS-9
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic properties of (Sn,Mn)Te thin films grown by molecular beam epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa, R. Sakurai, T. Yamaguchi, R. Akiyama, S. Kuroda, A. Kimura, Y. Takeda, Y. Saitoh
  • 学会等名: PASPS-9
  • 発表場所: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] Shubnikov-de Haas oscillations in n and p-type topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 flakes (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Akio Kimura, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, and Shuji Hasegawa
  • 学会等名: Joint Conference of New Trends in Topological Insulators (NTTI 2016) and 17th International Conference on Narrow Gap Systems (NGS 17)
  • 発表場所: ヴュルツブルク（ドイツ）
  • 年月日: 2016-07-24
  • 国際学会
• [学会発表] Thin films of a topological crystalline insulator SnTe grown by molecular beam epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa, R. Akiyama, and S. Kuroda
  • 学会等名: Joint Conference of New Trends in Topological Insulators (NTTI 2016) and 17th International Conference on Narrow Gap Systems (NGS 17)
  • 発表場所: ヴュルツブルク（ドイツ）
  • 年月日: 2016-07-24
  • 国際学会
• [学会発表] Properties of topological insulators probed by a magnetic field (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太
  • 学会等名: 東京大学物性研究所短期研究会「強磁場コラボラトリー、国際協力と強磁場科学」
  • 発表場所: 東京大学物性研究所（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-06-23
  • 招待講演
• [学会発表] トポロジカル（結晶）絶縁体における電気伝導特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太
  • 学会等名: 第1回TIA連携プログラム「強磁場計測とデータ解析技術の融合によるエネルギーデバイス材料評価システムの確立に向けた基礎調査研究」オープンセミナー
  • 発表場所: 物質材料研究機構（茨城県つくば市）
  • 招待講演
• [学会発表] Si(111)√3×√3-Bi上におけるトポロジカル結晶絶縁体SnTe薄膜の成長とその評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太, 中西亮介, 遠藤由大, 一ノ倉聖, 長谷川修司
  • 学会等名: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
• [学会発表] 純スピン流生成プローブの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 保原麗, 秋山了太, 長谷川修司
  • 学会等名: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
• [学会発表] 分子線エピタキシー法による(Pb,Sn,Cr)Te薄膜の作製と磁性の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石川諒, 山口智也, 大滝祐輔, 秋山了太, 黒田眞司
  • 学会等名: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
• [学会発表] トポロジカル結晶絶縁体(Pb,Sn)Te薄膜の角度分解光電子分光による表面状態観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山口智也, 大滝祐輔, 石川諒, 黒田眞司, D. Fan, 秋山了太, 長谷川修司, 宮本幸治, 佐藤仁, 木村昭夫
  • 学会等名: 2016年秋季日本物理学会年次大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県金沢市）
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/top_j.html
• [備考] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/rakiyama/
• [備考] Research gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Ryota_Akiyama
• [備考] Researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/rakiyama/
• [備考] Researchgate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Ryota_Akiyama
• [備考] 長谷川研究室
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/