トポロジカル絶縁体・強磁性体接合の磁性機構解明と、高温量子異常ホール効果への展開

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02616
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / トポロジカルホール効果 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / スキルミオン / 量子異常ホール効果 / 強磁性 / ジャロシンスキー-守谷相互作用

研究実績の概要

本研究では強磁性をトポロジカル絶縁体表面に導入して起こる様々な効果を観測することが狙いである。特に試料端に量子異常ホール効果によってカイラルエッジ状態が誘起されたり、表面に強磁性渦のスキルミオンが誘起されることが期待できるため、そのような新奇状態について調べていきたい。意義としては、前者はエネルギー無散逸スピン偏極伝導となるため、低消費電力スピンデバイスへの応用が期待でき、後者はトポロジカルにnontrivialであることが期待されるため、外乱に頑丈なスキルミオンメモリなどが期待できる。また、強磁性とトポロジカル状態の組み合わせは、物理現象としても解明すべきことが多く基礎学理構築上も重要である。そして更に発展形として、本研究ではトポロジカル結晶絶縁体を用いた量子異常ホール効果の観測も重要な目的としている。本研究でベースとする物質の一つが、真性自己形成強磁性トポロジカル絶縁体(FMTI)であるMn(Bi,Sb)2Te4であり、これはBiとSbの組成比xを調整することでフェルミ準位が制御可能なFMTIである。本研究ではxを系統的に振り物性の変調を調査したところ、x=0.55でフェルミ準位が電荷中性点付近であることが分かった。これはディラックコーンに開くギャップ付近であることと対応しており、ギャップ中状態であるカイラルエッジ状態や、ギャップ付近に存在するカイラルスピン構造を電気伝導で見ることができると期待される。FMTIの表面状態を観測するため、試料構造はFMTI/TI/FMTIとした。すると低温でトポロジカルホール効果と思われる「こぶ」がホール抵抗に出現した。これはFMTI表面に現れたスキルミオンによって誘起されたと考えられ、実際こぶの高さがTIスペーサー層に依存することを見出し、これは二つのFMTI同士のカップリングが変化しスキルミオン形成に影響を与えるためと判明した。

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

本研究では今も様々な実験結果が得られており、研究展開の観点から当初予想したよりも進捗が大きい。本研究ではMn(Bi,Sb)2Te4という真性自己形成強磁性トポロジカル絶縁体薄膜を開発し、それを用いたMn(Bi,Sb)2Te4/トポロジカル絶縁体(Bi,Sb)2Te3/Mn(Bi,Sb)2Te4というヘテロ構造を設計・作製し、さらにBiとSbの組成比の精密調整によってそれにおけるフェルミ準位の調整に成功した。さらに上記ヘテロ構造の(Bi,Sb)2Te3スペーサーの膜厚を制御することで、この系で世界で初めてのスキルミオンの観測に漕ぎつけることができた。このスキルミオンは従来報告されていたよりも1/10程度の磁場で生成することが可能で、将来的に書き換え容易な磁気メモリなどへの展開が考えられる。これらの成果はNano Letters誌において発表しプレスリリースも行った。この内容は論文誌の他に各種国内・国際会議での招待講演でも広く発表している。

今後の研究の推進方策

近年、真性自己形成強磁性トポロジカル絶縁体を題材とした研究は世界的に盛んに行われているが、我々はMn(Bi,Sb)2Te4において先んじてBi/Sbの比率によって結晶構造や強磁性の特性に大きく影響することも見出しており、これについても系統的調査の後に成果発表する予定である（日本物理学会では発表済み）。また独自の独立駆動4探針STM装置を用いて、カイラルエッジ伝導を観測することも計画しており、探針距離を小さくすることで不純物効果を抑えることが可能と予期され、これが可能となれば量子異常ホール効果の観測温度の向上や、カイラルエッジ状態の空間分布を電気的にマッピングできると期待している。カイラルエッジ状態は、エッジに存在するとは分かっているが、具体的にどの程度の実空間スケールでエッジ状態が形成されているのかについても分かっておらず、そういった基礎知見の蓄積も重視していきたい。また、トポロジカル結晶絶縁体系での量子異常ホール効果の実現に向けても研究を計画している。これが可能になれば世界初のコントローラブルマルチチャネルのエネルギー無散逸トポロジカルエッジデバイスができると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] IACP(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: IACP
• [国際共同研究] Chongqing University/USTC(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chongqing University/USTC
• [国際共同研究] The University of Melbourne(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: The University of Melbourne
• [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] Spin-glass-like state induced by Mn-doping into a moderate gap layered semiconductor SnSe₂ (2021)
  • 著者名/発表者名: Huang Hongrui、Rahman Azizur、Wang Jianlin、Lu Yalin、Akiyama Ryota、Hasegawa Shuji
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 130 ページ: 223903～223903
  • DOI: 10.1063/5.0077612
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体MnSb2Te4およびそのヘテロ構造の磁気・電気伝導特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高城拓也, 秋山了太, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] SrTiO3(001)基板上への室温wetting layer成長法による超平坦SnTe(001)薄膜の成長と電気伝導評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太, 金田真悟, 大矢忍, 高城拓也, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] 原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体 Mn(Bi1-xSbx)2Te4 を含む ヘテロ構造における Sb/Bi 組成比による強磁性特性の変調 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高城拓也、秋山了太、長谷川修司
  • 学会等名: 第13回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] SiC(0001)上エピタキシャルグラフェンへのYbインターカレーションによる強磁性の発現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鄭帝洪, 秋山了太, 高城拓也, 遠山晴子, 保原麗, 長谷川修司
  • 学会等名: 第１３回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Si基板上巨大ラシュバ表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷内息吹, 秋山了太, 保原麗, 長谷川修司
  • 学会等名: 第１３回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] 高磁場・サブケルビン・超高真空 4 探針電気伝導・トンネル分光同時測定装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤瞬亮，保原麗，秋山了太，渡邉和己，長谷川修司
  • 学会等名: 第１３回低温科学研究センター研究交流会
• [学会発表] Bi薄膜における強磁場テラヘルツサイクロトロン共鳴 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今中康貴, Yang Zhuo, 谷内息吹, 秋山了太, 長谷川修司, 小濱芳允, 松田康弘, 竹端寛治
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [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: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] Growth and transport property of copper selenide compound thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: SP. Liu, T. Takashiro, YX. Guo, R. Hobara, R. Akiyama and S. Hasegawa
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] 高磁場・サブケルビン・超高真空 4 探針電気伝導・トンネル分光同時測定装置の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤瞬亮，保原麗，秋山了太，渡邉和己，長谷川修司
  • 学会等名: SPring-8 ユーザー協同体、日本表面真空学会合同ミニコンファレンス NanospecFY2021mini
• [学会発表] 巨大ラシュバ分裂表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷内息吹, 秋山了太, 保原麗, 長谷川修司
  • 学会等名: SPring-8 ユーザー協同体、日本表面真空学会合同ミニコンファレンス NanospecFY2021mini
• [学会発表] 原子層自己形成型強磁性トポロジカル絶縁体Mn(Bi,Sb)2Te4 を含むヘテロ構造におけるSb/Bi組成比による強磁性特性の変調 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高城拓也、秋山了太、長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [学会発表] SiC 基板上グラフェンにおけるCa インターカレート誘起超伝導 (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠山晴子, 秋山了太, 一ノ倉聖, 橋爪瑞葵, 飯盛拓嗣, 遠藤由大, 保原麗, 松井朋裕, 堀井健太郎, 佐藤瞬亮, 平原徹, 小森文夫, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [学会発表] 巨大ラシュバ分裂表面超構造における円偏光ヘリシティ依存光電流 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷内息吹、秋山了太、保原麗、長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
• [学会発表] トポは端だが役に立つ～表面界面で起こる強磁性・超伝導～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 秋山 了太
  • 学会等名: 日本表面真空学会関東支部セミナー「表面科学と原子層科学のエッジ」
  • 招待講演
• [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, 松井朋裕, 福山寛, 堀井健太郎, 橋爪瑞葵 , 一ノ倉聖 , 平原徹, 飯盛拓嗣, 小森文夫 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
  • 招待講演
• [学会発表] 単原子層ラシュバ表面系(Tl,Pb)/Si(111)での円偏光フォトガルバニック効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 谷内息吹, 秋山了太, 保原麗, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [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: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] in situ 4 探針電気伝導・トンネル分光法同時測定装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤瞬亮, 秋山了太, 保原麗, 渡邉和己, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] Induced effects by introducing ferromagnetism into topological insulators (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
  • 招待講演
• [学会発表] Bi薄膜における超強磁場サイクロトロン共鳴 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今中康貴, Yang Zhuo, 谷内息吹, 秋山了太, 長谷川修司, 小濱芳允, 松田康弘
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [学会発表] 自己形成型磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造Mn(Bi1-xSbx)2Te4/(Bi1-xSbx)2Te3における強磁性特性のBi/Sb組成比依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高城拓也, 秋山了太, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会秋季年会 オンライン開催
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/rakiyama
• [備考] 研究室
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/
• [産業財産権] 岩塩型構造を持つ化合物の単結晶薄膜及びその製造方法 (2022)
  • 発明者名: 秋山了太
  • 権利者名: 秋山了太
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願２０２２－０３０１４３