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2015 年度 実績報告書

トポロジカル絶縁体薄膜・接合界面の合成とスピン偏極量子輸送現象

研究課題

研究課題/領域番号 13J07556
研究機関東京大学

研究代表者

吉見 龍太郎  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワードトポロジカル絶縁体 / 薄膜 / 量子ホール効果 / 二次元電子系 / ディラック状態 / 積層構造 / 分子線エピタキシー
研究実績の概要

[1]磁性/非磁性トポロジカル絶縁体の積層構造
トポロジカル絶縁体薄膜の表面二次元ディラック状態は、時間反転対称性を破ることで量子ホール状態を発現することが知られている。しかしながら、トポロジカル絶縁体における量子ホール効果、量子異常ホール効果の発現温度は数十mKと極低温に限られており、高温化が課題である。申請者は、(Bi,Sb)2Te3、Cr(Bi,Sb)2Te3の非磁性・磁性二層構造にし、正常ホール抵抗・異常ホール抵抗の和を最大化するように最適化を行うことで、量子ホール状態が単膜の量子ホール効果・量子異常ホール効果よりも10倍程度高温で観測されることを見出した。さらに本年度は積層構造の研究を進め、(Bi,Sb)2Te3、Cr(Bi,Sb)2Te3を五層膜とすることで、この高温量子ホール効果をゼロ磁場でも発現させることに成功した。
[2]異常量子ホール状態における磁壁伝導の観測
量子異常ホール効果は強磁性秩序によって時間反転対称性の破れたトポロジカル絶縁体において発現する。二次元系の端(エッジ)には一次元的伝導状態(カイラルエッジ状態)が生まれる。このカイラルエッジ状態の向きは強磁性状態のスピン配向に依存するため、強磁性トポロジカル絶縁体においては磁区と磁区の境界である磁壁にはかならずカイラルエッジ状態が存在する。これまで、量子異常ホール効果は確認されてきたが、磁壁におけるカイラルエッジ状態の存在の明瞭な報告例ない。 申請者は磁性トポロジカル絶縁体Cr(Bi,Sb)2Te3において、素子の一部をエッチングし保磁力を変調する手法を開発した。その結果、予めパターンした場所において任意に磁壁を生成できるようになった。更に抵抗測定をおこなったところ、磁壁を挟む二箇所の抵抗が場所によって異なることを見出し、エッジ伝導の存在を示唆する結果を得た。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 6件) 備考 (3件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Enhanced photogalvanic current in topological insulators via Fermi energy tuning2016

    • 著者名/発表者名
      K. N. Okada, N. Ogawa, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, M. Kawasaki and Y. Tokura
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 93 ページ: 081403

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.93.081403

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Geometric Hall effects in topological insulator heterostructures2016

    • 著者名/発表者名
      K. Yasuda, R. Wakatsuki, T. Morimoto, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, M. Ezawa, M. Kawasaki and Y. Tokura
    • 雑誌名

      Nature Physics (Advanced Online Publication)

      巻: 1 ページ: 1

    • DOI

      10.1038/NPHYS3671

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum Hall States Stabilized in Semi-magnetic Bilayers of Topological Insulators2015

    • 著者名/発表者名
      R. Yoshimi, K. Yasuda, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki and Y. Tokura
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 6 ページ: 8530

    • DOI

      10.1038/ncomms9530

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetic modulation doping in topological insulators toward higher-temperature quantum anomalous Hall effect2015

    • 著者名/発表者名
      M. Mogi, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. Yasuda, Y. Kozuka, K. S. Takahashi, M. Kawasaki and Y. Tokura
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 107 ページ: 182401

    • DOI

      10.1063/1.4935075

    • 査読あり
  • [学会発表] トポロジカル絶縁体薄膜素子における量子ホール効果2015

    • 著者名/発表者名
      吉見龍太郎
    • 学会等名
      日本磁気学会, 第205回研究会/第56回スピンエレクトロニクス専門研究会
    • 発表場所
      中央大学駿河台記念館, 千代田区, 東京
    • 年月日
      2015-12-14 – 2015-12-14
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Hall Effect in 3D topological insulator (Bi1-xSbx)2Te32015

    • 著者名/発表者名
      R. Yoshimi, A. Tsukazaki, M. Mogi, K. Yasuda, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki and Y. Tokura
    • 学会等名
      International Symposium on Nanoscale Transport and Technology
    • 発表場所
      NTT, Atsugi, Kanagawa
    • 年月日
      2015-11-18 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] 3次元トポロジカル絶縁体薄膜における量子ホール効果2015

    • 著者名/発表者名
      吉見龍太郎, 塚崎敦, 安田憲司, 茂木将孝, 小塚裕介, J. Falson, J. G. Checkelsky, 高橋圭, 永長直人, 川崎雅司, 十倉好紀
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学, 大阪府, 吹田市
    • 年月日
      2015-09-17 – 2015-09-17
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Hall Effects on surface Dirac states of 3D topological insulator thin film (Bi1-xSbx)2Te32015

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Yoshim, A. Tsukazaki, M. Mogi, K. Yasuda, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
    • 学会等名
      Physics of Interfaces and Layered Structures
    • 発表場所
      Nordita South, Stockholm, Sweden
    • 年月日
      2015-09-04 – 2015-09-04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum transport of surface Dirac states in 3D topological insulator thin film (Bi1-xSbx)2Te32015

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Yoshim, A. Tsukazaki, M. Mogi, K. Yasuda, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
    • 学会等名
      EMN Qingdao meeting
    • 発表場所
      Qingdao, China
    • 年月日
      2015-06-16 – 2015-06-16
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum transport phenomena in 3D topological insulator thin films2015

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Yoshim, A. Tsukazaki, M. Mogi, K. Yasuda, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
    • 学会等名
      New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
    • 発表場所
      ISSP, Kashiwa, Chiba, Japan
    • 年月日
      2015-06-03 – 2015-06-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Top-gated 3D-TI devices for the observation of quantized Hall effects2015

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Yoshim, A. Tsukazaki, M. Mogi, K. Yasuda, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki, and Y. Tokura
    • 学会等名
      WorkShop on "Topological Magnets
    • 発表場所
      RIKEN, Wako, Japan
    • 年月日
      2015-05-27 – 2015-05-27
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 薄膜積層化で整数量子ホール効果を従来より高温・弱磁場で実現

    • URL

      http://www.riken.jp/pr/press/2015/20151026_1/

  • [備考] 薄膜積層化で整数量子ホール効果を従来より高温・弱磁場で実現

    • URL

      http://www.t.u-tokyo.ac.jp/tpage/release/2015/20151023004.html

  • [備考] Defrosting a magnetic mystery

    • URL

      http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/8176/

  • [産業財産権] 電子デバイス、トポロジカル絶縁体、トポロジカル絶縁体の製造方法およびメモリ装置2015

    • 発明者名
      吉見龍太郎,茂木将孝,永長直人,川崎雅司,十倉好紀,小椎八重航
    • 権利者名
      吉見龍太郎,茂木将孝,永長直人,川崎雅司,十倉好紀,小椎八重航
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2015-160198
    • 出願年月日
      2015-08-14

URL: 

公開日: 2016-12-27  

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