| 研究課題/領域番号 |
21J20442
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
太田 智陽 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | 原子層磁性体 / ファンデルワールス接合 / スピン三重項超伝導 / ジョセフソン接合 / スピントロニクス |
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| 研究実績の概要 |
本課題では、原子層接合素子を用いた超伝導電流の制御および機能開拓について研究しています。原子層物質は、劈開することで容易に数原子層レベルの純良な薄膜を得ることができます。また、異なる性質を持つ原子層物質同士を適切に組み合わせることで、様々な機能を持った素子を自由にデザインすることが可能となります。
磁性体と超伝導体の接合界面近傍に、磁化のねじれた構造が存在する場合、スピン量子化軸の空間的な変化に起因して、スピン三重項超伝導電流が発現することが知られています。そこで本研究では、一軸らせん磁気構造を有する原子層らせん磁性体CrNb3S6や、スピン軌道相互作用の大きい接合界面で、磁気スキルミオンの発現が期待される原子層強磁性体Fe5GeTe2に着目しました。本課題では、CrNb3S6やFe5GeTe2を用いた接合素子を作製し、外部磁場を用いて、らせん周期やジャロシンスキー・守谷相互作用を変調することで、超伝導電流のスピン状態の制御を目指しています。
本年度はまず、CrNb3S6を用いた磁性ジョセフソン接合素子の評価及び、原子層接合の作製を行いました。典型的なs波超伝導体Nbを用いて、Nb/CrNb3S6/Nb型の接合素子を作製しました。電気輸送測定を行い、近接効果により低温で素子全体がゼロ抵抗となること、さらに外部磁場の印加による臨界電流の振動を確認しました。また、スタンプ法と呼ばれる手法を用いて、原子層超伝導体NbS2と組み合わせたNbS2/CrNb3S6/NbS2構造の接合素子の作製にも成功しており、素子の評価を行っている段階です。さらに現在、Fe5GeTe2を用いた接合素子の作製へ向けて、Fe5GeTe2のより詳細な磁気状態の解明にも着手しており、高周波を用いた磁化ダイナミクスに関する実験から、Fe5GeTe2の磁気状態を反映した信号の検出にも成功しています。
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| 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
初年度は、磁化のねじれを有する構造として原子層らせん磁性体CrNb3S6に着目し、接合素子の作製及び特性評価を目指して研究を進めました。本研究で目指す素子ではCrNb3S6を２つの超伝導体で挟み込む必要がありますが、研究提案を行った時点では、CrNb3S6と他の物質を組み合わせた接合素子を作製するノウハウは確立していませんでした。そこで本研究では、接合素子の作製から取り掛かり、Nbと組み合わせた接合素子の作製に成功しました。また、磁気抵抗測定の結果から、先行研究で報告されているような、らせんピッチ数と膜厚の関係性を確認し、磁気的な性質を維持したまま接合素子に組み込めることを確認しました。さらに、抵抗の温度依存性から、近接効果によりCrNb3S6部分の抵抗が減少し、7.2 Kで素子全体がゼロ抵抗となることや、外部磁場の印加により臨界電流が振動することも確認できました。
次に原子層物質のみを用いたジョセフソン接合素子の作製にも取り掛かりました。研究開始当初は実現していなかった、三層以上の原子層接合素子の作製を試み、原子層超伝導体NbS2でCrNb3S6を挟みこむことで、NbS2/CrNb3S6/NbS2型の接合素子の作製に成功しました。現在は電気輸送測定から素子の特性評価を進めているところです。
並行して、原子層強磁性体Fe5GeTe2の磁気状態を磁化ダイナミクスの観点から評価したところ、Fe5GeTe2の磁気状態の検出に成功しました。これは当初の計画にはない、今後の接合素子の評価に向けた重要な成果です。
本課題の基礎となる研究を、典型的な超伝導体Nbを用いて遂行したこと、更には原子層薄膜同士を組み合わせることで実際に原子層接合素子の作製に成功したことに加えて、Fe5GeTe2磁化ダイナミクスに関する研究が進展していることを踏まえて「当初の計画以上に進展している」を選択しました。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに行った研究により、原子層らせん磁性体CrNb3S6を用いた原子層接合素子の作製手法の確立や、近接効果により磁性体中を超伝導電流がトンネルしていることを示唆する結果を得ました。今後は、これらの結果の再現性を確認するとともに、外部磁場の印加による臨界電流の振る舞いの変化や、らせんがほどける過程で、信号がどのように変調されるのかを詳しく調べていきます。磁化のねじれを利用したスピン三重項超伝導電流に関するこれまでの先行研究は、キャント磁化を持つ物質（Ho等）を磁性体、超伝導体間に挟み込んだ素子構造をしていました。一方、本研究のように磁性層としてCrNb3S6を用いた接合素子を作製できれば、よりシンプルかつ機能性の高い素子構造の実現に貢献することができます。また原子層接合素子の品質は、接合界面の清浄性に大きく依存するため、しわや気泡のような界面に特有な不純物の影響を抑制し、より歩留まりよく接合素子を作製する手法についても開拓を行っていきます。
さらに、本課題のもう一方の研究計画である、原子層強磁性体Fe5GeTe2を用いた接合素子による、ジャロシンスキー・守谷相互作用を利用した超伝導電流の制御に関する研究にも着手します。原子層強磁性体Fe5GeTe2は室温以上と比較的高いキュリー点を持つことに加えて、温度変化により多彩な磁気状態を示すことが知られています。Fe5GeTe2の複雑な磁気状態を定量的に評価できれば、本課題の目指す接合素子の実現に向けた大きな一歩となります。しかしFe5GeTe2低温の磁気状態に関しては不明な点が多いのが現状です。そこで現在行っている、高周波を用いた磁化ダイナミクスに関する研究などの観点から、Fe5GeTe2の磁気状態の詳細の解明を行い、Fe5GeTe2を他の原子層超伝導体と組み合わせることで、超伝導電流の制御が可能な接合素子の作製を目指します。
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