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超格子バンドエンジニアリングによるトポロジカル絶縁体の実現

公募研究

研究領域対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
研究課題/領域番号 25103724
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
研究機関独立行政法人理化学研究所

研究代表者

松野 丈夫  独立行政法人理化学研究所, 石橋極微デバイス工学研究室, 専任研究員 (00443028)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2014年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2013年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワードトポロジカル絶縁体 / スピン・軌道相互作用 / 電子相関 / パルスレーザー堆積法 / イリジウム酸化物 / エピタキシャル薄膜
研究実績の概要

イリジウム酸化物に代表される5d電子系のスピン‐軌道相互作用は約0.5eVと大きく、かつ電子相関とも競合するという特徴を持つ。そのため相関の効いたトポロジカル絶縁体の候補と考えられており、中でも、ペロブスカイト酸化物SrIrO3を(111)面上に2層ずつ積層することで形成されるハニカム格子が理論的に有望と予測されている。この予測は人工超格子によるバンド構造制御、すなわち超格子バンドエンジニアリングにより初めて実現が可能であり、本研究ではパルスレーザー堆積法によりこれに取り組んだ。
前年度に確立した(111)面上でのペロブスカイト構造の安定化技術を活用し、人工超格子[(Ca0.5Sr0.5IrO3)2m、(SrTiO3)2]/SrTiO3(111)(m=1,2,3,∞)を作成した。m=1は理論で予言される2層ずつの超格子に対応し、mを大きくすることは次元性の増大に対応する。設計通りの超格子が原子レベルで積層されていることをX線回折の超格子ピークおよび高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法によって確認した。輸送特性の測定により、mの減少に伴い半金属から絶縁体へと変化することが明らかとなった。特にm=3ではおよそ100 Kで高温の金属相から低温の絶縁体相への転移が観測された。この転移温度以下では明瞭な磁場ヒステリシスを伴う異常ホール効果が観測されたことから、低温相は磁性絶縁体である。その起源は反強磁性に付随した寄生強磁性と考えられ、m=3においては電子相関が重要であることを示唆している。m=1, 2においては高い抵抗率により異常ホール効果が測定できなかったため、非磁性絶縁体である可能性とm=3と同様の磁性絶縁体である可能性の両方が考えられる。これらはトポロジカル絶縁体あるいはその近傍の強相関絶縁体と考えられ、イリジウム酸化物がまさに両者の競合する舞台であることを示している。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2015 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (9件) (うち招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Fabrication of (111)-oriented Ga0.5Sr0.5IrO3/SrTiO3 superlattices-A designed playground for honeycomb physics2015

    • 著者名/発表者名
      D. Hirai, J. Matsuno, and H. Takagi
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 3 号: 4

    • DOI

      10.1063/1.4913389

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 5d iridium oxide as a material for spin current detection2013

    • 著者名/発表者名
      K. Fujiwara, Y. Fukuma, J. Matsuno, H. Idzuchi, Y. Niimi, Y. Otani, H. Takagi
    • 雑誌名

      Nat. Commun.

      巻: 4 号: 1 ページ: 28931-6

    • DOI

      10.1038/ncomms3893

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Search for a new topological insulator: superlattice-based honeycomb Ir oxides2014

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      TQP2014 International Conference on Topological Quantum Phenomena
    • 発表場所
      京都大学吉田キャンパス、京都市
    • 年月日
      2014-12-18
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] イリジウム系薄膜研究の現状と今後の展望2014

    • 著者名/発表者名
      松野 丈夫
    • 学会等名
      新学術領域研究 「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第16回集中連携研究会「トポロジカル電子流体の新奇現象」
    • 発表場所
      木曽屋、下呂市
    • 年月日
      2014-06-16
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 5d iridium oxide as a material for spin-current detection2014

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      2014 EMN Summer Meeting
    • 発表場所
      Cancun, Mexico
    • 年月日
      2014-06-11
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Band-structure engineering of Ir oxides with strong spin-orbit coupling2014

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      The 6th Indo-Japan Seminar Physics and Design of Multi-Functional Correlated Materials
    • 発表場所
      Tokyo
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Electronic Phase Control of Ir Oxide Superlattices with Strong Spin-orbit Coupling2013

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      2013 JSAP-MRS Joint Symposia: Symposium A, Synthesis and Magnetic Properties of Oxide Nanocomposites and Heterostructures
    • 発表場所
      Kyoto
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Tuning of the Spin-orbit Mott State by Tailoring Superlattices2013

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      Workshop on Oxide Electronics 20
    • 発表場所
      Singapore
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Tuning of the spin-orbit Mott state by using artificial superlattices2013

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      2nd workshops for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena
    • 発表場所
      Okinawa
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Tuning of the Spin-orbit Mott State by Tailoring Superlattices2013

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno
    • 学会等名
      FIRST-QS2C Workshop on "Emergent Phenomena of Correlated Materials"
    • 発表場所
      Tokyo
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Epitaxial growth of Ir oxides on SrTiO3(111) ― Towards the realization of topological insulator ―2013

    • 著者名/発表者名
      J. Matsuno, D. Hirai and H. Takagi
    • 学会等名
      新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第4回領域研究会
    • 発表場所
      名古屋
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [備考] 松野 丈夫|メンバー|対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象

    • URL

      http://www.topological-qp.jp/member/sp_profile/profile_c01_matsuno.html

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

URL: 

公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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