• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2022 年度 実施状況報告書

三次元磁性トポロジカル絶縁体による空間的表面状態制御

研究課題

研究課題/領域番号 21K13854
研究機関名古屋大学

研究代表者

矢野 力三  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80830356)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード磁性トポロジカル絶縁体 / トポロジカル物質 / ゲート制御 / 単結晶育成 / 物質探索
研究実績の概要

本研究では磁性トポロジカル絶縁体を使った物性制御を試みている。今期ではFe-BiSbTe2Se (Fe-BSTS)を微細加工して輸送特性を評価と、新たなる磁性ドープトポロジカル絶縁体の探索を行った。
昨年度にFe-BSTSが磁性トポロジカル絶縁体として有望であることを報告してきた。今回はこの物質の微小結晶デバイス(電極間間隔は数μm程度)を作製して輸送特性の評価を行った。バルク結晶で確立してきたイオン液体を使った表面化学ポテンシャル制御と、今回はさらに、結晶の基板側にも固体ゲートを使用して下側の表面化学ポテンシャル制御も試みた。Fe-BSTSは微小薄片化したことで表面からの寄与率が支配的になり、高磁場で抵抗が振動する現象を観測した。当初、これはフェルミ面の大きさを反映したShubnikov de Haas(SdH)振動かと思われたが、磁場の逆数1/Bではなく磁場Bに対して周期的であることと、ゲート依存性に乏しいことから、別の量子振動である可能性を検討している。対比実験として非磁性トポロジカル絶縁体Sn-BiSbTe2S (Sn-BSTS)を使用して同様の実験を行ったところ、こちらでは量子ホール効果や通常のゲート依存性をもつSdH振動と思われる磁場中の抵抗変化を観測した。このことからFe-BSTSでの磁気振動は別の磁気振動現象である可能性が高く、その一つの候補として普遍的ゆらぎ(UCF)が挙げられる。これは電極間での複数の干渉パスが存在することで生じる現象で、非磁性トポロジカル絶縁体においては観測例がある。一方でこの現象は磁性が存在する状況では出現しにくいことが知られていることから、今後さらにこの振動の起源について詳細に調べる必要がある。そのため、より磁化が大きい磁性トポロジカル絶縁体の開発のためにも今期ではさらに新たな候補物質の探索を結晶の作製方法から見直して試みた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究では大きく分けて①磁性とトポロジカル性の有無で異なる特性を持つ物質の開拓、①磁性トポロジカル絶縁体そのものの評価と状態制御手法の確立、②超電導接合を作製し実際にマヨラナ粒子などの特異な粒子のっ存在や現象の観測の3つの実験種別に大別できる。
①に関しては、新たな磁性トポロジカル絶縁体の候補物質の探索を新たに行い、いくつか有望そうな系統を見出すことができた。一方で、同一組成、同一結晶構造で完全ではなくともトポロジカル性の有無の作り分けが可能な物質開拓の戦略が一つがうまくいきそうな兆候が得られているため、引き続きこちらも継続して開発をしていく。
②に関してはモスクワ工科大学(ロシア)との共同研究において角度分解高電子分光(ARPES)と輸送特性の両方から評価していく計画であったが、本年度に起きた地政学的な問題なため頓挫してしまった。一方で、微細片をつかっての評価方法がある程度成熟しつつあり、イオン液体を使用したゲート制御と固体ゲートを使用したゲート制御の2つの手法を同時に行う技術をほぼ確立させた。
③超伝導接合に関しても共同研究を進めてきており超伝導量子干渉計(SQUID)をFe-BSTS上に作製させたとき振る舞いなどの評価を行ってきたが頓挫してしまった。②で得られた知見をもとに、これまで作製してきた磁性トポロジカル絶縁体の超伝導接合の再評価も行いこれまでわかっていなかったコンダクタンス測定における特異なピーク構造などの起源や超伝導接合中の近接効果について理論家との議論を深めながら調べている。

今後の研究の推進方策

今後の研究方針として接合作製技術の開発と結晶開発の2つの観点で示していく。
今後の磁性を用いた空間的な表面状態制御に向けて、接合作製技術としては、現在のヘキ開して微小片への電極作製という技術以外の接合作製方法の開拓が必要である。そのためヘキ開性を持たない結晶を使用しても微小な電極作製が作製できるような技術の開発を行っていく。ヘキ開した試料に対しての接合技術においてもより微細な数十nmオーダーでの接合作製の安定した手法確立や、ゲート制御で物性制御がしやすい構造・手法の開発を行っていく。
一方で、結晶作製に関しては特に磁性トポロジカル絶縁体の新たなる候補物質の探索を行っていく。現在着目しているFe-BSTSのもととなるBSTSに対しての磁性元素ドープに関しては報告例が多くなく、また、最も批判として想定されるFe-Seの化合物を含まないような物質系で磁性トポロジカル絶縁体の確立を目指していく。また、磁性の有無と、トポロジカル性の有無の比較を容易にするために、その組成周辺でトポロジカル―非トポロジカルの転移をもつような物質組成の開拓を目指していく。

次年度使用額が生じた理由

当初購入を予定していて実際に昨年度に購入した「メイワフォーシス製ワイヤーソー」が大幅に安く購入できたためその分の余剰金が最終年度まで残っている状況で次年度で論文投稿費や原料の購入費用に充てる予定。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件)

  • [国際共同研究] モスクワ物理工科大学(MITP)(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      モスクワ物理工科大学(MITP)
  • [国際共同研究] トゥウェンテ大学(オランダ)

    • 国名
      オランダ
    • 外国機関名
      トゥウェンテ大学
  • [雑誌論文] Transport Properties of Magnetically doped Topological Insulator Fe-BiSbTe2Se2023

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Tanda, Rikizo Yano, Hishiro T. Hirose, Takao Sasagawa, and Satoshi Kashiwaya
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc. : 29th International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS

      巻: - ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Two-Band Model and Point Contact Spectroscopy of Nodal-Line Semimetal CaAg0.9Pd0.1P2023

    • 著者名/発表者名
      Naoki Matsubara, Shota Nagasaka, Rikizo Yano, Kazushige Saigusa, Yusaku Shinoda, Yoshihiko Okamoto, Koshi Takenaka, and Satoshi Kashiwaya
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc. : 29th International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS

      巻: - ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Andreev Bound States and Doppler Shift in La1.85Sr0.15CuO4/Au Junctions2023

    • 著者名/発表者名
      Hironori Teshima, Kang Donguhn, Takashi Sakamori, Rikizo Yano, Yuya Hiramatsu, Shun Tamura, Keiji Yada, Yukio Tanaka, Takao Sasagawa, Satoshi Kashiwaya
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc. : 29th International Conference on LOW TEMPERATURE PHYSICS

      巻: - ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 超高速時間分解電子回折とシミュレーションによる超イオン導電体AgCrSe2の散漫散乱の研究2022

    • 著者名/発表者名
      千足勇介, 中村飛鳥, 下志万貴博, 古賀淳平, 矢野力三, 笹川崇男, 石坂香子
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] 電界効果トランジスタ用いたキャリア注入による磁性トポロジカル絶縁体Fe-BiSbTe2Seの表面状態の探索2022

    • 著者名/発表者名
      反田剛, 矢野力三, 廣瀬陽代, 笹川崇男, 柏谷聡
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] ノーダルライン半金属CaAg0.9Pd0.1Pの超伝導へのポイントコンタクト2022

    • 著者名/発表者名
      松原直生, 長坂翔太, 矢野力三, 三枝一茂, 岡本佳比古, 竹中康司, 柏谷聡
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] 波超伝導体の結晶粒界接合におけるジョセフソン電流の計算2022

    • 著者名/発表者名
      酒森貴史, 畑野敬史, 矢野力三, 田仲由喜夫, 柏谷聡, 矢田圭司
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] 時間反転対称性の破れた超伝導から発生する磁場の空間分布2022

    • 著者名/発表者名
      勅使河原 充洋、馬渡 康徳、山森 弘毅、矢野 力三、柏谷 聡
    • 学会等名
      022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Ionic-Liquid Gating of Magnetically doped Topological Insulator Fe-Doped BiSbTe2Se2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuyoshi Tanda, Rikizo Yano, Hishiro T. Hirose, Takao Sasagawa, and Satoshi Kashiwaya
    • 学会等名
      Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetically Doped Topological Insulator with High Bulk insulation and its Superconducting Proximity Effects2022

    • 著者名/発表者名
      Rikizo Yano, K.Tsumura, H. T. Hirose, T. Sasagawa, and S. Kashiwaya
    • 学会等名
      Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会
  • [学会発表] Andreev bound states and Doppler shift in La1.85Sr0.15CuO4/Au junctions2022

    • 著者名/発表者名
      Hironori Teshima, Kang Donguhn, Takashi Sakamori, Rikizo Yano, Yuya Hiramatsu, Shun Tamura, Keiji Yada, Yukio Tanaka, Takao Sasagawa, Satoshi Kashiwaya
    • 学会等名
      Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会
  • [学会発表] Point contact spectroscopy of superconducting nodal line semimetal CaAg0.9Pd0.1P2022

    • 著者名/発表者名
      Naoki Matsubara, Shota Nagasaka, Rikizo Yano, Kazushige Saigusa, Yusaku Shinoda, Yoshihiko Okamoto, Koshi Takenaka, and Satoshi Kashiwaya
    • 学会等名
      Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2023-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi