酸化物界面における強誘電性揺らぎによる超伝導特性への影響

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K04940
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 堀場 律子 (江口律子) 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 助教 (50415098)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 酸化物薄膜界面 / 超伝導 / 強誘電特性

研究実績の概要

本研究課題では、強誘電相近傍における超伝導の発現の有無と超伝導特性への影響を調べることを目的としている。酸化物薄膜界面における物性を研究対象とし、酸化物薄膜界面に関する研究の中でも興味深いトピックスのひとつであるLaAlO3/SrTiO3界面における金属的伝導や超伝導を軸として研究を遂行する。
本年度は昨年度に引き続き、強誘電相に極めて近い物質であり量子常誘電体として知られるSrTiO3を、強誘電相転移を示すCaドープSrTiO3に置き変えた試料について、LaAlO3/CaドープSrTiO3界面の二次元超伝導層に発現する金属伝導や超伝導に対する強誘電性揺らぎの効果を検証した。
昨年度は超伝導転移を観測するための実験を重点的に行ったが、今年度は常伝導状態の抵抗率の温度依存性や磁気抵抗率などの測定を行った。CaドープSrTiO3基板の誘電率測定から強誘電相転移温度を特定しているが、バルクのCaドープSrTiO3-dで報告されている強誘電相転移温度付近における抵抗率の微小な変化について、本研究の薄膜界面試料においても観測されるか否かを詳細に調べた。その結果、LaAlO3/Sr1-xCaxTiO3(x=0.0025, 0.005, 0.01)の3種類の試料において、相転移温度付近で抵抗率のわずかな上昇などの異常がみられることが分かった。この結果から、界面の金属的に伝導している電子が基板の強誘電性の影響を受けていることが確認できた。
また、超伝導特性についてCaドープ量による違いを正確に議論するために、CaドープSrTiO3基板に対して波長分散型X線分析測定を行い、実際のCaドープ量(x)を確認した。その結果、誘電率の温度変化から求めた強誘電相転移温度のCaドープ量に対する変化と矛盾しないCaドープ量が得られ、これをもとにこれまでの結果を正確にまとめることが可能となった。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度の目標は、昨年度に作製したLaAlO3/CaxSr1-xTiO3試料について、基本的な物性測定（CaxSr1-xTiO3基板の強誘電特性やLaAlO3/CaxSr1-xTiO3界面の伝導特性）を確認することである。
測定試料は強誘電相転移を示すCaドープ量の範囲内でCaxSr1-xTiO3基板を4種類準備しており、同じxに対して複数の試料を作製し伝導特性などの再現性の確認ができている。さらに1枚の基板上に2つのデバイス試料が作成されているため、伝導特性を比較検討するためのデータを取り得る試料の数は十分準備することができている。各試料は繰り返し測定に対して比較的安定であり、3He-4He希釈冷凍機、Heクライオスタット、誘電率測定装置、波長分散型X線分析などの実験装置を利用して、各種測定を行うことができた。昨年度の「電界効果による金属的伝導特性と超伝導転移温度の変調の成功」に加えて、今年度は常伝導状態の伝導特性と強誘電相転移に関連する実験データの蓄積ができた。また、Caドープ量について仕込み値ではなく実際のドープ量を波長分散型X線分析によって確認することができ、今後、結果をまとめる際に有用な情報を得ることができた。本年度は超伝導特性と強誘電特性の相互的な議論に向けた研究成果を得ることができたので、本年度の研究はおおむね予定通り進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

本研究はジュネーブ大学との共同研究として遂行しているものであり、本年度もジュネーブ大学に赴き、装置を利用して実験を行い得られた結果がある。最終年度である来年度は、COVID-19の現況を踏まえると海外への渡航は難しいと考えられ、当初の予定通りに実験は遂行できないと思われる。幸いなことに主要な実験データはほぼ取得済みであり、論文のドラフトも完成しつつある状況である。研究成果をまとめるための作業を中心に進めていく予定であり、実験データを精査していく中で、不足のデータなどがあれば共同研究者の協力を得て実験を行う予定である。
当初の申請書の研究計画には記載してないが、海外渡航せずに行うことができる実験として、二次元酸化物の強誘電性物質を新規に合成し、デバイス試料を作成して伝導度の電界効果特性を調べる研究を遂行することを代案として検討している。他の試料も探索しながら、本研究課題の「強誘電相近傍における超伝導の発現の有無と超伝導特性への影響を調べる」という主目的に沿った研究を遂行する。

研究成果

• [国際共同研究] ジュネーブ大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ジュネーブ大学
• [雑誌論文] Inhomogeneous superconductivity in thin crystals of FeSe1－xTex (x=1.0, 0.95, and 0.9) (2020)
  • 著者名/発表者名: Ritsuko Eguchi, Megumi Senda, Eri Uesugi, Hidenori Goto, Akihiko Fujiwara, Yasuhiko Imai, Shigeru Kimura, Takashi Noji, Yoji Koike, Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Materials Research Express 巻: 7 ページ: 036001
  • DOI: 10.1088/2053-1591/ab7c85
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superconducting behavior of a new metal iridate compound, SrIr2, under pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Xiaofan Yang, Huan Li, Tong He, Tomoya Taguchi, Yanan Wang, Hidenori Goto, Ritsuko Eguchi, Rie Horie, Kazumasa Horigane, Kaya Kobayashi, Jun Akimitsu, Hirofumi Ishii, Yen Fa Liao, Hitoshi Yamaoka, Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Journal of Physics Condensed Matter 巻: 32 ページ: 025704
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ab4605
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and characterization of superconducting Ba1-xCsxTi2Sb2O, and its pressure dependence of superconductivity (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang Yanan, Yang Xiaofan, Taguchi Tomoya, Li Huan, He Tong, Goto Hidenori, Eguchi Ritsuko, Miyazaki Takafumi, Liao Yen-Fa, Ishii Hirofumi, Kubozono Yoshihiro
  • 雑誌名: JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 巻: 58 ページ: 110603
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab4ef5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity in Bi2-xSbxTe3-ySey (2019)
  • 著者名/発表者名: Tong He, Xiaofan Yang, Tomoya Taguchi, Teppei Ueno, Kaya Kobayashi, Jun Akimitsu, Hitoshi Yamaoka, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao, Hiromi Ota, Hidenori Goto, Ritsuko Eguchi, Kensei Terashima, Takayoshi Yokoya, Harald O. Jeschke, Xianxin Wu, Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 100 ページ: 094525
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.100.094525
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication of flexible high-performance organic field-effect transistors using phenacene molecules and their application toward flexible CMOS inverters (2019)
  • 著者名/発表者名: Pompei Emanuela, Turchetti Claudio, Hamao Shino, Miura Akari, Goto Hidenori, Okamoto Hideki, Fujiwara Akihiko, Eguchi Ritsuko, Kubozono Yoshihiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 7 ページ: 6022-6033
  • DOI: 10.1039/c8tc05824e
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Conductivity and superconductivity at LaAlO3/Ca-doped SrTiO3 interfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Ritsuko Eguchi, Margherita Boselli, Adrien Waelchli, Gernot Scheerer, Danfeng Li, Stefano Gariglio, Jean-Marc Triscone
  • 学会等名: Workshop ‘Progress in Superconductivity Research’