ファンデルワールス物質におけるトポロジーの光学的計測法による観測

• 研究領域: 次世代物質探索のための離散幾何学
• 研究課題/領域番号: 20H04623
• 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: 東北大学
• 研究代表者: Chen Yong 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (30806732)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: トポロジカル物質 / トポロジー / 離散幾何学

研究開始時の研究の概要

本研究課題ではトポロジカル材料の光学的応答に注目する。トポロジカル半金属における光学的応答の微視的機構は結晶構造の対称性や非自明なベリー曲率といった幾何学的な概念と密接に関係することが知られているが、トポロジカルな物性と自明なバルクバンド構造による寄与の分離について考慮する必要がある。現状としてトポロジカルバンド構造による光学的応答のはっきりした証拠はまだ得られていない。従って、本研究では新規材料の設計を目指した数理解析の応用可能な実験計測法を提案する。具体的には、電子輸送特性と組み合わせた革新的な光学特性の計測法の開発を行い、光学的計測法による物性のトポロジーの観測を実現する。

研究実績の概要

本研究提案では、固体物性におけるトポロジーと数学的概念のリンクとなる量子光学計測法の実験の発展を目標としている。今年度はファンデルワールス物質にモアレ超格子を導入し、電子物性が劇的に変化させることで相関現象やトポロジー現象の出現を観測できるか試みた。ファンデルワールス磁性体で試したところ、非同軸状態やドメイン構造を示したが、その操作は限定的であった。さらに、その研究を発展させ、二層反強磁性体CrI3を用いた素子を作製し、磁気光学カー効果顕微鏡により、モアレ磁性の特徴である非ゼロの純磁化で反強磁性秩序と強磁性秩序が共存していることを示した。さらに、電圧による磁気スイッチングと線型磁電効果も実証した。その他には、ファンデルワールス磁性体のヘテロ構造を作製し、磁気秩序や量子現象を検証した。垂直磁気異方性と面内磁気異方性を持つ層状反強磁性体CrI3とCrCl3のヘテロ構造を作製し、光磁気カー効果顕微鏡を用いて、CrI3に近接したCrCl3層における面外磁気秩序と、両者の間の強磁性界面結合を明らかにした。さらに、保磁力を電場によって大きく制御できることも明らかにした。この現象は、ヘテロ構造の構造反転対称性が崩れ、電場と界面磁性の結合が直接可能になったことに起因していると思われる。これらの成果は、ファンデルワールス物質のヘテロ構造によるものであり、スピントロニクスデバイスへの設計応用にもつなげることが期待できる。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Electrically tunable moire magnetism in twisted double bilayer antiferromagnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Guanghui Cheng, Mohammad Mushfiqur Rahman, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Xingtao Liu, Lina Liu, Lei Fu, Yanglin Zhu, Zhiqiang Mao, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen
  • 雑誌名: arXiv 巻: - ページ: 1-24
  • 国際共著
• [雑誌論文] Emergence of electric-field-tunable interfacial ferromagnetism in 2D antiferromagnet heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Guanghui Cheng, Mohammad Mushfiqur Rahman, Zhiping He, Andres Llacsahuanga Allcca, Avinash Rustagi, Kirstine Aggerbeck Stampe, Yanglin Zhu, Shaohua Yan, Shangjie Tian, Zhiqiang Mao, Hechang Lei, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Pramey Upadhyaya, Yong P. Chen
  • 雑誌名: arXiv 巻: - ページ: 1-14
  • 国際共著
• [雑誌論文] Spin injection characteristics of Py/graphene/Pt by gigahertz and terahertz magnetization dynamics driven by femtosecond laser pulse (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Idzuchi, S. Iihama, M. Shimura, A. Kumatani, S. Mizukami, Y. P. Chen
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 号: 1 ページ: 015321-015321
  • DOI: 10.1063/9.0000114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] New opportunities for surface science and sensor devices with two-dimensional materials and hybrids (2021)
  • 著者名/発表者名: Yong P. Chen
  • 学会等名: iNano International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocurrent as probe for Topological Semimetals (2021)
  • 著者名/発表者名: Yong P. Chen
  • 学会等名: 2nd Meeting of Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological and 2D materials for/using spintronic and quantum devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Yong P. Chen
  • 学会等名: OIST-Tohoku Joint Quantum Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Wrinkle formation and its effect on the magnetic properties of Cr2Ge2Te6/NiO heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: A. E. Llacsahuanga Allcca, H. Idzuchi, X. C. Pan, K. Tanigaki and Y. P. Chen
  • 学会等名: APS March meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] van der Waals magnets based heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Yong P. Chen
  • 学会等名: American Physical Society (APS) March Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Increased Curie temperature and enhanced perpendicular magneto anisotropy of Cr2Ge2Te6/NiO heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Idzuchi, A. E. Llacsahuanga Allcca, X. C. Pan, K. Tanigaki and Y. P. Chen
  • 学会等名: MMM 2020 Virtual Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Spin injection characteristics of Py/Graphene/Pt by means of THz measurement and spin pumping (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Idzuchi, S. Iihama, M. Shimura, A. Kumatani, S. Mizukami, Y. P. Chen
  • 学会等名: MMM 2020 Virtual Conference
  • 国際学会