• 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

2011 年度 実績報告書

グラフェンでできた超伝導/強磁性/超伝導接合における磁性と超伝導の競合

公募研究

研究領域対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
研究課題/領域番号 23103503
研究機関筑波大学

研究代表者

神田 晶申  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30281637)

キーワードグラフェン / ジョセフソン接合 / SFS接合 / π接合 / バリスティック伝導 / 電界効果 / キャリア密度ピニング
研究概要

本研究は、新奇2次元物質グラフェンでできた超伝導/強磁性/超伝導接合におけるジョセフソン効果の観測を通して、理論予測されているディラック電子系に特有な磁性と超伝導の競合、π接合の形成等の現象を実験的に検証することを目的としている。そのためには、グラフェン中を電子が無散乱(バリスティック)に伝導すること、ゲート電圧を掃引することによって接合近傍のグラフェンのフェルミ準位がディラック点を横切ることが必要不可欠である。
我々は、バリスティック伝導の実現が可能な極めて短いジョセフソン接合をななめ蒸着法によって形成する方法を開発した。その方法で作製した長さが50nmのAl/グラフェン/Alのジョセフソン接合と従来のリフトオフ法で作製した長さ220nmの接合のゲート電界効果を比較した。その結果、(1)常伝導状態では、前者では後者に比べてゲート電圧による抵抗の変調が大幅に小さくなること、(2)超伝導状態では、前者では超伝導電流のゲート電圧による変調が全く見られないこと、が明らかになった。
この主要な原因として、グラフェン/電極界面では、仕事関数差によってグラフェンに電荷が注入され、界面近傍のキャリア密度が固定化されるためであると考えた(キャリア密度ピニング)。このことを立証するために、1枚のグラフェン内に長さの異なる多数の接合を形成し、電界効果を比較した。その結果、接合長さが1ミクロン以下では電気伝導度のゲート電圧依存が顕著に弱まることが分かった。すなわち、電極から0.5ミクロン程度の範囲でキャリア密度が固定化されていることが立証された。
本研究の目的を実現するためには、このキャリア密度ピニングを軽減することが必要である。また、これまでグラフェンジョセフソン接合に特有な相対論的ジョセフソン効果が観測されなかった原因の一つが、キャリア密度ピニングであることも明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

バリスティック伝導が実現する短い接合において、研究計画段階では想定していなかったゲート電界効果の弱まりが観測された。実験計画の遂行には、その主要原因であるキャリア密度ピニングを軽減することが不可欠であるので、まず、キャリア密度ピニングに関する実験を行う必要があった。その結果、計画の遂行が遅れることとなった。

今後の研究の推進方策

まず、キャリア密度ピニングを軽減する方策を開発する。現時点では、接合界面に酸化膜などの分子膜を挟み込むことを考えている。ゲート電界効果の接合長さ依存性からピニングの強弱を評価する。キャリア密度ピニングの軽減が確認されたのち、その材料系を用いてジョセフソン効果に関する実験を行う。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2011

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Introducing Nonuniform Strain to Graphene Using Dielectric Nanopillars2011

    • 著者名/発表者名
      Hikari Tomori, Akinobu Kanda, Hidenori Goto, Youiti Ootuka, Kazuhito Tsukagoshi, Satoshi Moriyama, Eiichiro Watanabe, Daiju Tsuya
    • 雑誌名

      Appl.Phys.Express

      巻: 4 ページ: 075102-1-075102-3

    • DOI

      10.1143/APEX.4.075102

    • 査読あり
  • [学会発表] グラフェン接合系におけるゲート電界効果2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第2回領域研究会
    • 発表場所
      岡山大学
    • 年月日
      2011-12-19
  • [学会発表] Observability of relativistic Josephson effects in graphene2011

    • 著者名/発表者名
      A.Kanda
    • 学会等名
      International Symposium on Advanced Nanostructures and Nano-Devices (ISANN 2011)
    • 発表場所
      Kaanapali (USA)
    • 年月日
      2011-12-06
  • [学会発表] グラフェンの電気伝導の実験とデバイス応用の可能性2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      2011年度数学・物理学・情報科学の研究交流シンポジウム
    • 発表場所
      奈良女子大学(招待講演)
    • 年月日
      2011-12-03
  • [学会発表] グラフェンの超伝導近接効果2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      研究会「グラフェン・ナノ構造の物理」
    • 発表場所
      秋田大学
    • 年月日
      2011-11-12
  • [学会発表] Fabrication and transport measurement of ballistic graphene Josephson junctions2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tomori
    • 学会等名
      Recent Progress in Graphene Research (RPGR2011)
    • 発表場所
      Suwon (Korea)
    • 年月日
      2011-10-05
  • [学会発表] グラフェンにおけるジョセフソン電流2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      日本物理学会2011年秋季大会シンポジウム「多彩な表面系における電子輸送現象」
    • 発表場所
      富山大学(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-22
  • [学会発表] グラフェンでできた超伝導/強磁性/超伝導接合における磁性と超伝導の競合2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      「トポロジカル量子現象」公募研究キックオフミーティング
    • 発表場所
      カナルパークホテル富山(富山市)
    • 年月日
      2011-09-20
  • [学会発表] 単層グラフェンにおける超伝導近接効果の実験の現状と今後の研究予定2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      新学術領域「トポロジカル量子現象」第7回集中連携研究会「奇周波数クーパー対」
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 年月日
      2011-09-08
  • [学会発表] グラフェンの磁性とスピントロニクス応用2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 学会等名
      第49回応用物理学会スクール「グラフェンの基礎から応用まで」
    • 発表場所
      山形大学(招待講演)
    • 年月日
      2011-08-30
  • [学会発表] Fabrication and transport measurement of ballistic graphene Josephson junctions2011

    • 著者名/発表者名
      A.Kanda
    • 学会等名
      The 19th international conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • 発表場所
      Tallahassee (USA)
    • 年月日
      2011-07-27
  • [学会発表] Ballistic graphene Josephson junctions2011

    • 著者名/発表者名
      H.Tomori
    • 学会等名
      Graphene Week 2011
    • 発表場所
      Obergurgl (Austria)
    • 年月日
      2011-04-26
  • [図書] 炭素学(田中一義、東原秀和、篠原久典編)(分担執筆)2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申、塚越一仁
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      化学同人
  • [図書] カーボンナノチューブ・グラフェンハンドブック(フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会編)(分担執筆)2011

    • 著者名/発表者名
      神田晶申
    • 総ページ数
      3
    • 出版者
      コロナ社

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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