研究課題
本研究では「d電子系強相関薄膜・へテロ構造における新奇量子相の開拓」という研究題目において、薄膜をベースにヘテロ構造・デバイスを作製し、新奇量子相を開拓してきた。今年度、特に注力したのは層状カルコゲナイドを対象にした研究である。本研究は層状カルコゲナイドの中でも空間反転対称性の破れと強いスピン軌道相互作用に起因したスピン分裂バンドを持つ二次元金属NbSe2に注目した。このスピン軌道相互作用はZeeman型と呼ばれ伝導電子のスピンが面直方向にロックされた特殊なスピン構造を有しており、良く知られたRashba型やトポロジカル絶縁体の表面状態のような面内方向に偏極したスピンを持つものとは全く異なる。本研究ではこのNbSe2と等方的な強磁性を示す二次元磁性体V5Se8のヘテロ構造を分子線エピタキシー法を用いて作製し、Zeeman型スピン軌道相互作用がもともと等方的であった磁性体に強い面直異方性を付与することを明らかにした。昨年度までの時点では、磁性体がスピン軌道相互作用による変調を受けることが明らかになっていた一方で、その詳細な機構やスピン軌道相互作用のある二次元金属側、つまりNbSe2が強磁性体との界面を通じて受ける情報については情報が得られていなかった。今年度はこの点に進展が得られ、実験データの積み上げと理論との共同研究を通じて、磁性変調の起源としてⅠ：NbSe2中に誘起される異方的な磁化・II：NbSe2中の伝導電子を媒介としたRKKYを提案した。これらは近年認識されつつあるスピン軌道相互作用を利用した界面磁性変調についての、新奇性のある理論提案である。この内容については既に論文にまとめて投稿済みである。さらに、もともと非磁性体であったNbSe2がヘテロ構造を通じ磁化し、非自明な角度依存性を伴う新たな異常ホール効果を生み出していることが明らかになった。
1: 当初の計画以上に進展している
本研究は、近年巨大な研究分野を形成しつつあるファンデアワールス物質の超薄膜（二次元物質）における二次元物性において、これまで流通していたへき開法によるトップダウン方式ではなく分子線エピタキシーによる薄膜作製というボトムアップ方式を新たに適用し、これまで得られなかった新奇二次元物性を開拓することを目的に据え研究を遂行した。その中で、本研究ではへき開薄膜では得る事が難しい二次元超伝導体薄膜と二次元磁性体薄膜の作製に成功しただけでなく、複数の物質を組み合わせたヘテロ構造、つまりファンデアワールス・ヘテロ構造を新たに構築し、物性を開拓することに成功した。格子のミスマッチなどを考慮することなく作製できるファンデアワールス・ヘテロ構造はその自由度の高さから次世代の物性開拓の場として強く期待されているが、本研究はへき開法による取り扱いが困難な数層の金属薄膜を用いたヘテロ構造の薄膜作製に初めて成功した。これは、分子線エピタキシー法による二次元物質薄膜作製という独自のアプローチによる物性開拓が二次元物性研究において非常に有効であることを意味している。以上の結論を以て、計画以上に研究が進展したと評価する。今年度の実験結果は国内外の学会にて報告し、併せて複数の研究者と交流することで得られた実験結果の理論的な背景を提案するに至っている。また、この研究課題で得られた結果を、出来る限り論文および学会で報告する予定である。
今後は、これまで輸送特性のみで評価してきた超伝導状態や磁性秩序、さらに界面磁性変調のメカニズムについて、輸送測定以外の様々な測定を適用することでその詳細や起源を議論する。本研究の用いた分子線エピタキシー法による二次元物質薄膜作製の長所は、ヘテロ構造のような自由度の高い二次元系開拓に止まらない。もう一つの特長は、大面積性を利用して様々な測定手法と組み合わせることで、電子構造の詳細な情報のみならず、界面現象の微視的な機構にまで迫ることが可能であるという点である。実際に、既に大面積性を利用して光学測定や放射光測定と共同研究を開始しており、今後はこのような多面的な物性評価を用いることで界面物性の理解を深め、薄膜作製技術による系の開拓と連動して研究を遂行する予定である。
すべて 2020 2019
すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件)
Physical Review Research
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https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.012064
Nano Letters
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