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2019 年度 実績報告書

3次元曲面グラフェンにおけるトポロジーの物性

研究課題

研究課題/領域番号 19J15245
研究機関東京工業大学

研究代表者

岡本 拓也  東京工業大学, 工学院, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2021-03-31
キーワードグラフェン / ディラック電子系 / 原子層材料 / 電子物性
研究実績の概要

本研究では、2次元材料のグラフェンを3次元曲面化した際に、その3次元トポロジーとディラック電子が織りなす新規物性を探求する。3次元曲面グラフェンは、グラフェン膜が3次元ネットワーク状に張り巡らされた構造を有するため、Dirac fermionが2次元曲面に束縛されながら3次元空間を動き回るというユニークなトポロジーを有する。本研究は、3次元曲面グラフェンの新規物性を探求することを目的とした。
今年度はイオン液体による電気二重層を利用し、外部電場によってフェルミ準位を制御することで3次元曲面上のDirac fermionを実現した。この試料を低温(3K)下において、電子輸送計測を実施したところ、ゲート電圧に強く依存した負の磁気抵抗が得られた。特に、Dirac pointにおいては数テスラの強磁場下において、単なる量子補正効果ではない、巨大な負の磁気抵抗効果を示すことが明らかとなった。これは、従来のDirac fermionが有する反弱局在とは真逆の振る舞いであり、3次元トポロジーに由来する特異電子輸送特性であると考えられる。
この3次元トポロジーによる物理特性の変調を副次的に実証するため、ナノ空間分解光電子分光と赤外分光を用いて局所物性を計測した。得られた結果は、グラフェン膜が強く湾曲した部分において、局所的に電子系がsp3ライクに変調されており、加えて光励起による電子温度の上昇効果も変調されていることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当該年度の目標は、3次元曲面上でDirac fermionがどの様に振る舞うかを明らかにすることであった。実際に、3次元曲面Dirac電子系を量子効果が顕在化する極低温下で実現し、従来のグラフェンでは観測されていない特異な輸送特性を観測することに成功した。加えて、電子特性とリンクする化学結合特性、光・熱物性においても、3次元トポロジーが強く寄与していることを実験的に実証した。

今後の研究の推進方策

実験結果の解析・理論的解釈を中心に行う計画である。考慮すべき要素が多い複雑な系であるため、1つ1つ要素を押さえていきながら、実施していく。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うちオープンアクセス 2件、 査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Topological effects of three-dimensional porous graphene on Dirac quasiparticles2020

    • 著者名/発表者名
      T. Okamoto, Y. Ito, N. Nagamura, K. Akada, T. Fujita, Y. Kawano
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2002.00795 ページ: 1-6

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Terahertz detection with an antenna-coupled highly-doped silicon quantum dot2019

    • 著者名/発表者名
      Okamoto Takuya、Fujimura Naoki、Crespi Luca、Kodera Tetsuo、Kawano Yukio
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1038/s41598-019-54130-0

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dopant-Induced Terahertz Resonance of a Dopant-Rich Silicon Quantum Dot2019

    • 著者名/発表者名
      Okamoto Takuya、Fujimura Naoki、Kodera Tetsuo、Kawano Yukio
    • 雑誌名

      IEEE Conference Publications

      巻: - ページ: 1-2

    • DOI

      10.23919/SNW.2019.8782972

  • [学会発表] Topological effects of transforming two-dimensional graphene into three-dimensional graphene2020

    • 著者名/発表者名
      Takuya Okamoto
    • 学会等名
      Graphene Technology-2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nanoscale observation of confined mid-infrared field distribution in a spiral antenna with scanning near-field optical microscopy2019

    • 著者名/発表者名
      T. Okamoto, Y. Kawano
    • 学会等名
      Recent advances in spectroscopic imaging and related modern techniques 3
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 赤外近接場光を使った表面光ベクトル場のナノスケール計測 -格子振動共鳴も利用して-2019

    • 著者名/発表者名
      岡本拓也, 河野行雄
    • 学会等名
      日本光学会ナノオプティクス研究グループ 第26回研究討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Dopant-Induced Terahertz Resonance of a Dopant-Rich Silicon Quantum Dot2019

    • 著者名/発表者名
      T. Okamoto, N. Fujimura, T. Kodera, Y. Kawano
    • 学会等名
      Silicon Nanoelectronics Workshop 2019
    • 国際学会

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公開日: 2021-12-27  

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