研究課題
本研究では、ファンデルワールス結晶を薄膜化して得られる二次元物質において、二次元物質特有の結晶構造の空間反転対称性の破れを活かした超伝導・磁性物性の開拓に臨む。特に、面内方向に空間反転対称性の破れを有する二次元金属NbSe2・TaSe2ではその空間反転対称性の破れを反映した巨大なスピン軌道相互作用、トポロジカルな物性と連結した物理量であるベリー曲率、さらにそれらとスピンの連結を反映した多彩な物性が期待される。これまでは、そのような空間反転対称性の破れが反映される物性として光学特性を始めとする半導体物性が注目されることが多かったが、本研究では超伝導や磁性といった金属物性に着目し研究を進めている。まずは対象とする物質は、分子線エピタキシー法を用いて作製したNbSe2やTaSe2といった二次元超伝導薄膜である。これら両薄膜をベースにヘテロ構造やマイクロデバイスを作製し、ユニークな空間反転対称性の破れを反映した新奇物性の開拓を行うのが本研究の目的である。本年度の研究では、特にTaSe2の超伝導物性に焦点を当てて研究を進めた。これまでは、レーザー光の第二次高調波発生などで結晶構造の空間反転対称性の破れが直接的に確認できていたが、レーザー光はあくまでナノメートルスケールのプローブであるため、超伝導のようなマクロなスケールの物性においても対称性の破れを反映させることが課題であった。そこで、本年度は電子線リソグラフィー技術をTaSe2に適用しマイクロスケールの超伝導薄膜の物性を評価できるシステムを立ち上げ、これによって超伝導と空間反転対称性の破れが連結したことで生じる超伝導相付近の非相反シグナルを検出することに成功した。今後はこのマイクロデバイスをさらに前進させヘテロ構造やジャンクションデバイスへと展開することを目指す。
1: 当初の計画以上に進展している
本研究では空間反転対称性の破れを有する二次元超伝導・磁性物質の研究を進めている。以下、超伝導物性研究と磁性物性研究の両者について進捗状況を以下にまとめる。①超伝導物性研究について：空間反転対称性の破れを反映した超伝導体として、3R-TaSe2のMBE薄膜に注目した。この系は結晶構造の空間反転対称性の破れが面直方向と面内方向の両方で存在している。これまでの研究でレーザー光の第二次高調波測定などを通じて結晶構造の破れそのものは面直・面内の両方で確認が取れていたが、今年度はそれらが超伝導物性に与える影響を調べた。具体的には、超伝導相付近の抵抗が交流電場下で示す非相反信号の検出から空間反転対称性の破れと超伝導物性の連結を検出した。まず、面直方向の対称性の破れに由来するシグナルはミリメートルスケールの薄膜でも検出できた。これは薄膜中の面直方向の分極がマルチドメインで打ち消し合っておらず、特定の向きにマクロに分極していることを示している。一方で、面内方向の破れはミリメートルスケールの薄膜で超伝導物性に現れなかった。これによって試料内のミクロなドメインが面内方向に異なる分極を持ち、結果分極がマクロに相殺されていることが示唆された。そこで、電子線リソグラフィー技術を用いてTaSe2マイクロデバイスを作製することで、面内方向の対称性の破れを反映した超伝導の非相反シグナルの検出に成功した。②磁性物性について：面内空間反転対称性の破れと磁性の連結を実現するために、面内方向の対称性の破れを有するNbSe2と磁性体のヘテロ界面に注目してきた。今年度は、このヘテロ界面で観測された非自明な異常ホール効果が、界面効果を通じて磁化したNbSe2に由来すること、そしてそれがNbSe2のスピン軌道相互作用と連結した結果ユニークな振る舞いを持つことを理論・実験両方の側面から明らかにした。
今年度の進展の内最も重要視するべきは、NbSe2やTaSe2薄膜にリソグラフィー技術を適用することで測定試料自体が全体で結晶構造の対称性の破れを保持しているような状況が可能になったことである。これを利用した今後の展開として、まずは面内空間反転対称性と連結した磁性へのスピントロ二クス的なアプローチが考えられる。特にTaSe2では従来の金属-磁性体界面とは異なるスピン分極を持ったスピン流の誘起が可能であるため、その検出を目指す。超伝導物性においては、これまで超伝導相付近の中でも転移温度付近、つまり高温領域での物性が議論されることが殆どであったが、今後は希釈冷凍機を利用した極低温物性の研究など進める予定である。
本研究では不定期に液体ヘリウム等の寒剤が必要となる実験を行っており、この寒剤使用状況が実験状況に応じて週単位で変わる可能性があるため年度末の実験に際して寒剤に使用する可能性のある科研費を保険として残しておいた。結果、使用されなかった分の科研費がそのまま翌年度の分として繰り越しを申請する結果となった。来年度も今年度と同じく大部分の科研費を測定機器などの固定的な機器に使用する予定であるが、一部寒剤・薬品などの消耗品として使用する予定であるため、繰り越し分はその費用に充てる予定である。
すべて 2021
すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件)
Nature Physics
巻: 17 ページ: 909～914
10.1038/s41567-021-01267-3
