酸化物二次元界面の量子機能とデバイス応用

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24226002
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 川崎 雅司 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90211862)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2017-03-31
• キーワード: 表面・界面物性 / 量子伝導 / 強誘電体 / 超伝導材料

研究実績の概要

本研究では、酸化物分極界面に蓄積される二次元電子を制御し、新たな量子伝導機能を開拓することを目的としている。
(1)強誘電体・イオン液体界面に多量の電子を蓄積することにより、強誘電体をチャネル材料とした新しいトランジスタ動作を実証した。BaTiO3単結晶・薄膜に加えて、構造相転移による絶縁化が抑えられるPbTiO3薄膜についてもトランジスタの動作に成功し、強誘電絶縁体を低温まで金属化することに成功した。また、電界による新しい伝導機能の発現を目指して、EuTiO3やWO3等の関連構造の電気二重層トランジスタの動作にも成功した。基板歪みに依存した伝導状態の違いも見えており、今後分極構造の制御による伝導状態の変化を実証する。
(2)超高品質酸化亜鉛の分極界面に少量の電子を蓄積することにより、100万cm2/Vsの移動度を達成し、ν=3/2という新しい偶数分母分数量子ホール状態を観測することに成功した。本系の量子散乱時間はヒ化ガリウム系二次元電子ガスを超えるほどに到達し、この更なる向上を目指して様々な分極構造をもつ酸化亜鉛ヘテロ界面試料を作製した。量子散乱時間と輸送散乱時間の変化を比較することにより、本系の更なる品質向上に必要な要素を同定した。偶数分母分数量子ホール状態については、アンチドット構造における整合性振動の周期から、スピン偏極した複合粒子の形成を示唆する結果が得られた。エアギャップトランジスタや超伝導接合の作製等の基盤技術の確立により、今後更なる解明を進める。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Observation of anomalous Hall effect in a non-magnetic two-dimensional electron system (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Maryenko, A.S. Mishchenko, M.S. Bahramy, A. Ernst, J. Falson, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, N. Nagaosa, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 14777
  • DOI: 10.1038/ncomms14777
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hall field-induced resistance oscillations in MgZnO/ZnO heterostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: Q. Shi, M. A. Zudov, J. Falson, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, K. von Klitzing, J. Smet
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 041411-1-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.041411
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Alloy disorder modulated electron transport at MgxZn1-xO/ZnO heterointerface (2017)
  • 著者名/発表者名: Aswin Vishnuradhan, Y. Kozuka, M. Uchida, J. Falson, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 7 ページ: 015029
  • DOI: 10.1063/1.4974462
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Geometrical Hall effects of topological insulator heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yasuda, R. Wakatsuki, T. Morimoto, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, M. Ezawa, M. Kawasaki, N. Nagaosa, Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Phys. 巻: 12 ページ: 555-559
  • DOI: 10.1038/nphys3671
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interplay between topological and thermodynamic stability in a metastable magnetic skyrmion lattice (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Oike, A. Kikkawa, N. Kanazawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, Y. Tokura, F. Kagawa
  • 雑誌名: Nature Phys. 巻: 12 ページ: 62-66
  • DOI: 10.1038/NPHYS3750
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fermi level dependent charge-to-spin current conversion by Dirac surface state of topological insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kondou, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Fukuma, J. Matsuno, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, Y. Tokura, Y. Otani
  • 雑誌名: Nature Phys. 巻: 12 ページ: 1027-1031
  • DOI: 10.1038/nphys3833
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of the quantum Hall effect in d-doped SrTiO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsubara, K.S. Takahashi, M.S. Bahramy, Y. Kozuka, D. Maryenko, J. Falson, A. Tsukazaki,Y. Tokura, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 11631
  • DOI: 10.1038/ncomms11631
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Terahertz spectroscopy on Faraday and Kerr rotations in a quantum anomalous Hall state (2016)
  • 著者名/発表者名: K. N. Okada, Y. Takahashi, M. Mogi, R.Yoshimi, A.Tsukazaki, Kei S. Takahashi, N. Ogawa, M. Kawasaki Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 12245
  • DOI: 10.1038/ncomms12245
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Zero-bias photocurrent in ferromagnetic topological insulator (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Ogawa, R. Yoshimi, K. Yasuda, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, Y. Tokura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 12246
  • DOI: 10.1038/ncomms12246
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spontaneous polarization and bulk photovoltaic e ect driven by polar discontinuity in LaFeO3/SrTiO3 heterojunctions (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakamura, F. Kagawa,T. Tanigaki, H. S. Park, T. Matsuda, D. Shindo, Y. Tokura, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 116 ページ: 156801-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.156801
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Large unidirectional magnetoresistance in magnetic topological insulator (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yasuda, A. Tsukazaki, R. Yoshimi, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 117 ページ: 127202-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.127202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evolution of Insulator-Metal Phase Transitions in Epitaxial Tungsten Oxide Films during Electrolyte-Gating (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Kozuka, Y.Iwasa, M. Kawasaki
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. 巻: 8 ページ: 22330-22336
  • DOI: 10.1021/acsami.6b06593
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] MgZnO/ZnO heterostructures with electron mobility exceeding 1 × 106 cm2/Vs (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Falson, Y. Kozuka, M. Uchida, J. H. Smet, T. Arima, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 26598
  • DOI: 10.1038/srep26598
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetochiral nonreciprocity of volume spin wave propagation in chiral-lattice ferromagnets (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Seki, Y. Okamura, K. Kondou, K. Shibata, M. Kubota, R. Takagi, F. Kagawa, M. Kawasaki, G. Tatara, Y. Otani, Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 93 ページ: 235131-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.235131
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct observation of anisotropic magnetic field response of the spin helix in FeGe thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Kanazawa, J. S. White, H. M. Ronnow, C. D. Dewhurst, Y. Fujishiro, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 184432-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.184432
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Topological Oxide Electronics (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Uchida, M. Kawasaki
  • 雑誌名: J. Phys. D-Appl. Phys. 巻: 49 ページ: 433001
  • DOI: 10.1088/0022-3727/49/43/433001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface Ordering of Orbitals at a Higher Temperature in LaCoO3 Thin Film (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamasaki, J. Fujioka, H. Nakao, J. Okamoto, T. Sudayama, Y. Murakami, M. Nakamura, M. Kawasaki, T. Arima, Y. Tokura
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 023704-1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.023704
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Interface-driven topological Hall effect in SrRuO3-SrIrO3 bilayer (2016)
  • 著者名/発表者名: J. Matsuno, N. Ogawa, K. Yasuda, F. Kagawa, W. Koshibae, N. Nagaosa, Y. Tokura, M. Kawasaki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 2 ページ: e1600304
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600304
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Cd3As2薄膜における量子ホール効果の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 打田 正輝, 中澤 佑介, 西早 辰一, 秋葉 和人, M. Kriener, 小塚 裕介, 三宅 厚志, 田口 康二郎, 徳永 将史, 永長 直人, 十倉 好紀, 川崎 雅司
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] Cd3As2薄膜における膜厚に依存した電子構造と量子輸送特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中澤 佑介、打田 正輝、西早 辰一、秋葉 和人、M. Kriener、小塚 裕介、三宅 厚志、田口 康二郎、徳永 将史、永長 直人、十倉 好紀、川﨑 雅司
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] Alloy Disorder Modulated Electron Transport at MgxZn1-xO/ZnO Heterointerface (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Vishnuradhan,Y. Kozuka, M. Uchida, J. Falson, A. Tsukazaki, M. Kawasaki
  • 学会等名: 2017年春季 第64回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] 強誘電体PbTiO3をチャネルとした電気二重層トランジスタの作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野隆太郎、打田正輝, 小塚 裕介, 岩佐義宏, 川﨑 雅司
  • 学会等名: 2017年春季 第64回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] Quantum Hall effect in Cd3As2 films (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Uchida, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, K. Akiba, M. Kriener, Y. Kozuka, A. Miyake,Y. Taguchi, M. Tokunaga, N. Nagaosa, Y. Tokura, M. Kawasaki
  • 学会等名: APS March Meeting 2017
  • 発表場所: ニューオリンズ（米国）
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] Ambipolar quantum transport in Cd3As2 field effect transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, M. Kriener, Y. Kozuka, Y. Taguchi, M. Kawasaki
  • 学会等名: APS March Meeting 2017
  • 発表場所: ニューオリンズ（米国）
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] ディラック半金属Cd3As2薄膜における量子ホール効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 打田 正輝, 中澤 佑介, 西早 辰一, 秋葉 和人, M. Kriener ,小塚 裕介, 三宅 厚志, 田口 康二郎, 徳永 将史,永長 直人, 十倉 好紀, 川﨑 雅司
  • 学会等名: 第8回低温センター研究交流会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス（東京都文京区）
  • 年月日: 2017-02-23 – 2017-02-23
• [学会発表] Spin physics in heterostructures of novel quantum materials (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: AIMR International Symposium 2017 (AMIS2017)
  • 発表場所: ホテルメトロポリタン仙台（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2017-02-12 – 2017-02-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transport properties of tailored quantum materials (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: CEMS-QPEC Symposium on Emergent Quantum Materials
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス伊藤国際学術ホール（東京都文京区）
  • 年月日: 2017-01-18 – 2017-01-20
  • 国際学会
• [学会発表] Topological properties in interface engineered quantum materials (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: Max PIanck-UBC-U Tokyo Workshop on Quantum Materials
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス山上会館（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-12-05 – 2016-12-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological properties and functionalities at oxide interfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: 2016MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 発表場所: ボストン（米国）
  • 年月日: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualizing Ferroic Domains of All-In-All-Out Antiferromagnet in a Pyrochlore Iridate Thin Film (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kozuka, T. C. Fujita, M. Uchida, T. Nojima, A. Tsukazaki, J. Matsuno, T. Arima, M. Kawasaki
  • 学会等名: 2016MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 発表場所: ボストン（米国）
  • 年月日: 2016-11-27 – 2016-12-02
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum-, Anomalous- and Topological-Hall Effects in Oxide Heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: RIKEN Symposium Series "The Fourth NCTU-RIKEN Symposium on Physical and Chemical Science"
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • 年月日: 2016-11-14 – 2016-11-15
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum transport in high mobility oxide semiconductor heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: "Q-MAC" (Frontiers in Quantum Materials' Control) Symposium
  • 発表場所: ベネチア（イタリア）
  • 年月日: 2016-11-01 – 2016-11-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterostructured quantum materials (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: Tsinghua-RIKEN Joint Workshop
  • 発表場所: 北京（中国）
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-20
  • 国際学会
• [学会発表] Metallic Domain Wall at All-in-all-out Pyrochlore Iridate Heterointerface (2016)
  • 著者名/発表者名: T.C. Fujita, M.Uchida, Y. Kozuka, W. Sano, A. Tsukazaki, T. Arima, M. Kawasaki
  • 学会等名: Woe23(International Workshop on Oxide Electronics 23)
  • 発表場所: 南京 （中国）
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
  • 国際学会
• [学会発表] Electric Field Control of Anomalous and Topological Hall Effects in SrIrO3/SrRuO3 Heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohuchi, J. Matsuno, Y. Kozuka, M. Uchida, Y. Tokura, M. Kawasaki
  • 学会等名: Woe23(International Workshop on Oxide Electronics 23)
  • 発表場所: 南京 （中国）
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
  • 国際学会
• [学会発表] MgxZn1-xO/ZnOヘテロ構造を用いた二次元電子系/超伝導接合 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小塚裕介,阪口敦史，Aswin V，Joseph Falson，Denis Maryenko，打田正輝，塚﨑敦，川﨑雅司
  • 学会等名: 日本物理学会2016秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] SrIrO3 / SrRuO3ヘテロ構造における異常ホール効果・トポロジカルホール効果の電場変調 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大内 祐貴,松野 丈夫, 小川 直毅, 小塚 裕介, 打田 正輝, 十倉 好紀, 川﨑 雅司
  • 学会等名: 2016年第77回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Magnetically Modulated Heterostructures of Topological Insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-08-07 – 2016-08-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum transport and spin physics in ZnO 2DEGs with record mobilities (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: 33rd International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2016)
  • 発表場所: 北京（中国）
  • 年月日: 2016-07-31 – 2016-08-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ZnO高移動度二次元電子系の発展と展望 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小塚裕介
  • 学会等名: 応用物理学会応用電子物性分科会研究例会「酸化物材料の基礎物性とその応用」
  • 発表場所: 首都大学秋葉原サテライトキャンパス（東京都千代田区）
  • 年月日: 2016-07-29 – 2016-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] Topological phenomena in novel quantum materials (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: The Application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics and Nanotechnology (HMF-22)
  • 発表場所: 北海道札幌市（定山渓ビューホテル）
  • 年月日: 2016-07-24 – 2016-07-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Interface driven topological functionalities in quantum materials (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: Spin Orbit Coupling and Topology in Low Dimensions
  • 発表場所: スぺツェス島（スペイン）
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-07-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advances and prospects of high-mobility 2D electrons in ZnO heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kozuka
  • 学会等名: 45th "Jaszowiec" International School and Conference on the Physics of Semiconductors
  • 発表場所: シュチルク（ポーランド共和国）
  • 年月日: 2016-06-18 – 2016-06-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Mobility Oxide Semiconductors Hosting Unusual Quantum-, Anomalous- and Topological-Hall Effects (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: ISCSI-VII/ISTDM2016
  • 発表場所: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-06-07 – 2016-06-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高移動度酸化物半導体のスピン物性 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kawasaki
  • 学会等名: 「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点」キックオフシンポジウム
  • 発表場所: 東京大学浅野キャンパス武田ホール（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-05-19 – 2016-05-19
  • 招待講演