強磁性二次元ファンデルワールス原子層物質の新奇な磁化特性の解明と制御

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03877
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 平原 徹 東京工業大学, 理学院, 教授 (30451818)
• 研究分担者: 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): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 物性実験 / 原子層物質 / 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造

研究実績の概要

2021年度は我々が世界に先駆けて開拓を進めてきた、MnBi2Se4/Bi2Se3を拡張した、MnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造の磁化特性をX線磁気円二色性(XMCD)測定を用いて評価した。nを変化させて系統的な測定を行ったところ、キュリー温度として、n=0の場合は30-35K、n=1,2,3,5,7の場合は20-25K、そしてn=15の場合はヘテロ構造と同じく15-20Kであることが明らかになった。これは2つのMn磁性層間の磁気的な相互作用が系の磁化特性に影響を与えていることを明確に示している。ただ、MnのXMCD信号が単一のMn由来でないことが示唆されたので、今後理論計算と比較しながら複数のMn成分の同定を行っていく。
さらにこの磁性相互作用が、非磁性のBi2Se3の電子に媒介されていることを予想し、非磁性元素であるSeとBiについてもXMCD測定を行った。その結果、10Tの強磁場下で、このようなintrinsicな磁性トポロジカル絶縁体において、世界で初めて非磁性元素でもXMCDの信号を検出することに成功した。これは紛れもなく磁性層とトポロジカル絶縁体電子の磁気的相互作用をディラックコーンのギャップ以外の元素選択的な手法で初めて明確にできたということである。今後理論計算を用いて、より明確な信号が検出できたSeのXMCD信号に対して、具体的な電子遷移が何であるかなどの検討などを進める予定である。

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

• [国際共同研究] DIPC/CSIS-UPC/EHU(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: DIPC/CSIS-UPC/EHU
• [国際共同研究] Tomsk University(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Tomsk University
• [雑誌論文] Bulk and surface electronic structure of Bi4Te3 from GW calculations and photoemission experiments (2022)
  • 著者名/発表者名: Nabok Dmitrii、Tas Murat、Kusaka Shotaro、Durgun Engin、Friedrich Christoph、Bihlmayer Gustav、Bluegel Stefan、Hirahara Toru、Aguilera Irene
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 034204-1~9
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.034204
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Substrate-induced broken C4 symmetry and gap variation in superconducting single-layer FeSe/SrTiO3-/13x/13 (2022)
  • 著者名/発表者名: Si Wen、Tanaka Tomoaki、Ichinokura Satoru、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 104502-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104502
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-Dimensional Superconductivity of Ca-Intercalated Graphene on SiC: Vital Role of the Interface between Monolayer Graphene and the Substrate (2022)
  • 著者名/発表者名: Toyama Haruko、Akiyama Ryota、Ichinokura Satoru、Hashizume Mizuki、Iimori Takushi、Endo Yukihiro、Hobara Rei、Matsui Tomohiro、Horii Kentaro、Sato Shunsuke、Hirahara Toru、Komori Fumio、Hasegawa Shuji
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 ページ: 3582～3592
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c11161
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft-Magnetic Skyrmions Induced by Surface-State Coupling in an Intrinsic Ferromagnetic Topological Insulator Sandwich Structure (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashiro Takuya、Akiyama Ryota、Kibirev Ivan A.、Matetskiy Andrey V.、Nakanishi Ryosuke、Sato Shunsuke、Fukasawa Takuro、Sasaki Taisuke、Toyama Haruko、Hiwatari Kota L.、Zotov Andrey V.、Saranin Alexander A.、Hirahara Toru、Hasegawa Shuji
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 22 ページ: 881～887
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02952
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Short-range magnetic interaction in a monolayer 1T-VSe2 film revealed by element-specific x-ray magnetic circular dichroism (2022)
  • 著者名/発表者名: Sumida Kazuki、Takeda Yukiharu、Kusaka Shotaro、Kobayashi Katsuyoshi、Hirahara Toru
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 ページ: 014006-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.014006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ionic Rectification across Ionic and Mixed Conductor Interfaces (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishio Kazunori、Ichinokura Satoru、Nakanishi Akitaka、Shimizu Koji、Kobayashi Yasutaka、Nakamura Naoto、Imazeki Daisuke、Shimizu Ryota、Hirahara Toru、Watanabe Satoshi、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 ページ: 10086～10091
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03872
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of ferromagnetism in MnBi2Te4/Bi2Te3 down to 6 K (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukasawa T.、Kusaka S.、Sumida K.、Hashizume M.、Ichinokura S.、Takeda Y.、Ideta S.、Tanaka K.、Shimizu R.、Hitosugi T.、Hirahara T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 205405-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.205405
  • 査読あり
• [学会発表] 放射光による磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ/サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平原 徹
  • 学会等名: QST未来ラボ 次世代放射光利用研究グループ 2021年度公開ワークショップ「光電子分光とX線磁気分光の融合利用による量子マテリアルの研究」
  • 招待講演
• [学会発表] 膜厚および成長条件に依存したVSe2薄膜の電子状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹， 日下翔太郎， 竹田幸治， 小林功佳， 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 単層V5Se8の磁気構造の計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林功佳，角田一樹，平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体サンドイッチ構造の電子状態と磁化特性 Ⅱ (2022)
  • 著者名/発表者名: 福嶋隆司朗, 角田一樹, 竹田幸治, 田中清尚, 石原和宜, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Substrate-induced Broken C4 Symmetry and Gap Variation in Superconducting Single-layer FeSe/SrTiO3-√13x√13 (2022)
  • 著者名/発表者名: W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, T. Hirahara
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Caがインターカレートしたグラフェンにおける２重ディラックバンドと層間電子状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 德田啓, 福嶋隆司朗, 堀井健太郎, 遠山晴子, 秋山了太, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 長谷川修司, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 単層FeSeの基板誘起の対称性の破れと超伝導ギャップの空間依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平原 徹
  • 学会等名: 2021年度 極低温研究支援センター研究発表会
• [学会発表] 自己組織化によるトポロジカル絶縁体の磁気拡張 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平原 徹
  • 学会等名: 2021年応物秋季学術講演会シンポジウム「理論と実験の協奏 スピントロニクス材料・現象・素子」
  • 招待講演
• [学会発表] Substrate-induced Broken C4 Symmetry in Superconducting Monolayer FeSe/SrTiO3 -√13x√13 (2021)
  • 著者名/発表者名: W. Si, T. Tanaka, S. Ichinokura, and T. Hirahara
  • 学会等名: 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM29)
  • 国際学会
• [学会発表] Soft-Magnetic Skyrmions Induced by Surface-State Coupling in an Intrinsic Ferromagnetic Topological Insulator Sandwich Structure (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Takashiro, R. Akiyama, I. A. Kibirev, A. V. Matetskiy, R. Nakanishi, S. Sato, T. Fukasawa, T. Sasaki, H. Toyama, K. L. Hiwatari, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. Hirahara, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Short-range ferromagnetic interaction in a monolayer VSe2 film revealed by element-specific x-ray magnetic circular dichroism (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Takeda, S. Kusaka, K. Kobayashi, T. Hirahara
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Van Hove Singularity in Thickness Controlled Li-Intercalated Graphene (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, M. Toyoda, M. Hashizume, K. Horii, S. Kusaka, S. Ideta, K. Tanaka, R. Shimizu, T. Hitosugi, S. Saito, T. Hirahara
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Analysis on Band alignment of LiTi2O4 and SrTiO3 to Understand Ion Diffusion Modulation via Substrate Choice (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Nakanishi, K. Nishio, S. Ichinokura, K. Shimizu, Y. Kobayashi, N. Nakamura, D. Imazeki, R. Shimizu, T. Hirahara, T. Hitosugi, and S. Watanabe
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体サンドウィッチ構造の電子状態と磁化特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福嶋 隆司朗, 角田 一樹, 竹田 幸治, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Nbドープ SrTiO3上の単層 FeSeの電気伝導特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 出高志朗, 小林俊博, 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Liインターカレートしたグラフェンにおける van Hove特異性の層数依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉 聖, 豊田 雅之, 橋爪 瑞葵, 堀井 健太郎, 日下 翔太郎, 出田 真一郎, 田中 清尚, 清水 亮太, 一杉 太郎, 斎藤 晋, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Local effect of sqrt13xsqrt13 reconstruction on single-layer FeSe/SrTiO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: 司 文, 田中 友晃, 一ノ倉 聖, 平原 徹
  • 学会等名: 2021年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Liインターカレートした単層および多層グラフェンにおける質量のあるディラックコーン (2021)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 豊田雅之, 橋爪瑞葵, 堀井健太郎, 出田真一郎, 田中清尚, 清水亮太, 一杉太郎, 斎藤晋, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] NbドープSrTiO3上の単層FeSeの電気伝導測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 出高志朗, 小林俊博, 田中友晃, 一ノ倉聖, 清水亮太, 一杉太郎, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] SiC基板上のCaインターカレートグラフェンにおける超伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠山晴子, 秋山了太, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 飯盛拓嗣, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 保原麗, 遠藤由大, 福山寛, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 軟X線磁気円二色性で探る単層VSe2薄膜の磁性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 竹田幸治, 日下翔太郎, 小林功佳, 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Local Effect of Surface Reconstruction on Superconducting Monolayer FeSe on SrTiO3 √13×√13 (2021)
  • 著者名/発表者名: SI WEN, TOMOAKI TANAKA, SATORU ICHINOKURA, TORU HIRAHARA
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造のXMCD測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平原徹, 角田一樹, 竹田幸治
  • 学会等名: 文科省ナノテクプラットフォーム令和3年度利用成果発表会
• [学会発表] Caインターカレート誘起フリースタンディンググラフェンにおける構造と超伝導の相関 (2021)
  • 著者名/発表者名: 遠山晴子, 秋山了太, 佐藤瞬亮, 遠藤由大, 保原麗, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵, 一ノ倉聖, 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 松井朋裕, 福山寛, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面真空学会 2021年度関東支部講演大会