トポロジカル絶縁体･超伝導体における新奇な量子現象の探求

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25220708
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 安藤 陽一 大阪大学, 産業科学研究所, 特任教授 (90371286)
• 研究分担者: TASKIN Alexey 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (20523533) ; 瀬川 耕司 京都産業大学, 理学部, 教授 (20371297)
• 研究期間 (年度): 2013-05-31 – 2016-03-31
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / トポロジカル超伝導体 / MBE薄膜 / 電界制御 / ナノ薄片

研究実績の概要

本課題の3年目である平成27年度は、今後、トポロジカル絶縁体・超伝導体のデバイス加工を通じて新物性を検証・解明する研究を展開していくための基礎となる実験技術の開発に重点を置いた。その結果、廃止までの半年間で以下の２つの重要な成果を得た。
（１）トポロジカル絶縁体薄膜には上面と下面の両方にトポロジカル表面状態が存在するので、今後、表面状態中の輸送現象に関する実験を高度化していくためには、これらのフェルミ準位を独立に電界制御できることが望ましい。そこで我々は、サファイア基板上にMBE成長させたバルク絶縁性を有する高品質(Bi1-xSbx)2Te3薄膜をSi/SiO2基板上に移し換える技術を開発し、下面側からの電界制御を可能にした。これを昨年度開発した上面側の高効率電界制御技術と組み合わせることで、上面と下面のフェルミ準位を独立に電界制御できる「デュアルゲート」デバイスを開発することに成功した。これまで、単結晶を劈開した薄片についてはデュアルゲート制御の報告はあるが、広い面積を持つ高品質薄膜で高効率なデュアルゲート制御に成功したのはこれが世界初である。
（２）現在研究対象となっているトポロジカル超伝導体候補物質の多くで、デバイス加工をすると超伝導が失われてしまうことが知られており、これが研究進展の大きな妨げとなっていた。そこで我々は、デバイス加工に適したナノ薄片の超伝導試料を合成する技術の開発に取り組み、有力なトポロジカル超伝導体候補物質であるInxSn1-xTeのナノ薄片試料の作製に成功した。さらにそのナノ薄片を、電子ビーム描画技術を用いてデバイス加工し、抵抗率測定において急峻な超伝導転移を観測することにも成功した。これは今後、トポロジカル超伝導体におけるマヨラナ準粒子を検証するためのデバイス作製に道を拓く重要な成果である。

現在までの達成度 (段落)

27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

27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] Ferromagnetism in Cr-doped topological insulator TlSbTe2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Zhiwei Wang, Kouji Segawa, Satoshi Sasaki, A. A. Taskin, and Yoichi Ando
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 3 ページ: 083302-(1-7)
  • DOI: 10.1063/1.4922002
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superconducting Sn1-xInxTe Nanoplates (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Sasaki and Yoichi Ando
  • 雑誌名: Cryst. Growth Des. 巻: 15 ページ: 2748-2752
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.5b00058
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Infrared probe of the bulk insulating response in Bi2-xSbxTe3-ySey topological insulator alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: K. W. Post, Y. S. Lee, B. C. Chapler, A. A. Schafgans, Mario Novak, A. A. Taskin, Kouji Segawa, M. D. Goldflam H. T. Stinson, Yoichi Ando, and D. N. Basov
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 ページ: 165202-(1-9)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.165202
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin-polarized quantum well states on Bi2-xFexSe3 (2015)
  • 著者名/発表者名: Michael M. Yee, Z.-H. Zhu, Anjan Soumyanarayanan, Yang He, Can-Li Song, Ekaterina Pomjakushina, Zaher Salman, Amit Kanigel, Kouji Segawa, Yoichi Ando, and Jennifer E. Hoffman
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 ページ: 161306(R)-(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.161306
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dual-Gated Topological Insulator Thin Film Device for Efficient Fermi Level Tuning (2015)
  • 著者名/発表者名: Fan Yang, A. A. Taskin, Satoshi Sasaki, Kouji Segawa, Yasuhide Ohno, Kazuhiko Matsumoto, and Yoichi Ando
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 9 ページ: 4050-4055
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b00102
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of two-dimensional bulk electronic states in the superconducting topological insulator heterostructure Cux(PbSe)5(Bi2Se3)6: Implications for unconventional superconductivity (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nakayama, H. Kimizuka, Y. Tanaka, T. Sato, S. Souma, T. Takahashi, Satoshi Sasaki, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 100508(R)-(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.100508
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Three-dimensional topological insulators: Experimental realization and recent updates (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Ando
  • 学会等名: 2016 German Physical Society Spring Meeting
  • 発表場所: Regensburg, Germany
  • 年月日: 2016-03-06 – 2016-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] Transport Studies of Topological Materials (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Ando
  • 学会等名: Topological Phenomena in Novel Quantum Matter: Laboratory Realization of Relativistic Fermions and Spin Liquids
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2016-02-29 – 2016-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] Materials Efforts for Topological Insulators and Superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Ando
  • 学会等名: 2015 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-12-04
  • 招待講演
• [学会発表] 単結晶比熱測定によって明らかになったCuxBi2Se3の超伝導面内異方性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田尻兼悟, 米澤進吾, Zhiwei WANG, 瀬川耕司, 前野悦輝, 安藤陽一
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] トポロジカル超伝導体候補物質Cux(PbSe)5(Bi2Se3)6の高分解能ARPES (2015)
  • 著者名/発表者名: 中山耕輔, 君塚平太, 田中祐輔, 佐藤宇史, 相馬清吾, 高橋隆, 佐々木聡, 瀬川耕司, 安藤陽一
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] La2-xSrxCuO4のARPESスペクトルを用いた自己エネルギー解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 下中大也, 小寺健二朗, 柴田大輔, 山本紳太郎, 吉田鉄平, 組頭広志, 小野寛太, 藤森淳, 小宮世紀, 安藤陽一
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [備考] 安藤研究室ホームページ
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/fmc/home_j.html