2018 Fiscal Year Annual Research Report
スピン分解ARPESによるフェルミオロジーに基づいた革新的原子層超伝導体の開発
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18H01160
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 隆 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (00142919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 原子層物質 / 高温超伝導 / ARPES / 光電子分光 / グラフェン / トポロジカル絶縁体 / 遷移金属ダイカルコゲナイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子構造評価を基軸とした物質開発効率の飛躍的な向上を目的として、超高分解能スピン分解光電子分光装置と原子層薄膜作製MBE装置および試料評価槽を、同一の超高真空下で連動して稼働させるプラットフォームの構築を行った。異なるシステム間でMBE成膜した試料を超高真空下で移送するため、ポータブルUHVシステムを作製し、これを用いたPb薄膜の移送を行った。極低温ARPESにより量子化したバンドと超伝導ギャップを観測したことから、実験に十分な水準の試料移送に成功したと判断した。さらに、放射光光源による精密な電子状態解析を行うために、KEK-PFの高分解能AREPSビームラインにおいてMBE薄膜作製装置を建設し、これをエンドステーションと接続した。また、高い空間分解能と高いエネルギー分解能を同時に実現するために、高調波発生装置の設置と光学系の構築および調整を行い、第四次高調波による真空紫外領域のレーザー光の発生に成功した。
以上の装置開発と並行して、原子層物質の作製と高分解能ARPES実験を行った。単原子層TaSe2において、バンド構造を観測した結果、異なる結晶構造をもつ1T-TaS2eと1H-TaSe2を、成長温度の制御により作り分けられることを見出した。さらに、1H-TaSe2はhalf-filingの金属物質である一方、1T-TaS2eはモット絶縁体であったことから、原子層TaSe2のみを持ちたplaner型のFET素子の構築や、ドーピングや圧力による金属-絶縁体転移制御の可能性を示唆した。この他にも、原子層NbSe2における異方的なバンド分裂の観測や、電子ドープFeSe薄膜のフェルミ面の温度依存性の観測、原子層VSe2におけるCDWギャップと擬ギャップの観測、Bi2212上の原子層Bi薄膜の作製と超伝導ギャップ測定などを行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電子構造評価と薄膜合成を行うための原子層超伝導薄膜作製プラットフォームの構築は順調に進んでいる。現在、研究室内において種々のMBE作成装置において作成した原子層物質を、極低温・分解能・スピン分析などの種々の特徴をもつ高分解能AREPS装置へと自在に真空移送して測定するためのプロトコルは、ほぼ確立した状態にある。さらに、放射光施設においてもこのプロトコルを拡張し、放射光ARPESによる原子層物質の電子構造研究にも本格的に着手できる段階にある。
原子層物質の超伝導機構や超伝導物質開発についても多くの知見が得られた。非ドープ母物質のFeSe(Tc=8K)のバンド構造は顕著な温度依存性を示し、その起源としてスピン揺らぎによる繰り込み効果などが提案されているが、本研究において電子ドープしたFeSe薄膜(TC=40K)において明確な温度変化が観測されなかったことから、スピン揺らぎなどによる多体効果の抑制と高いTcの関連性を示唆した。CDW物質であるVSe2においては、原子層化によって電子構造を２次元的にしたところ、CDW転移温度以上において擬ギャップ構造を観測した。この特徴は銅酸化物高温超伝導体と類似しており、原子層VSe2が超伝導母物質となる可能性を示唆する。さらに、Bi2212上に成長したBi超薄膜においては、最大のギャップサイズ(20 meV)と最高のTc(130 K)を示す超伝導近接効果の観測に成功した。Biの大きなg因子により、bi/bi2212は比較的低い磁場(~1T)と高温で超伝導マヨラナモードを観測できる可能性がある。
以上のように、高分解能ARPESを基軸とした原子層物質の開発と超伝導に関わる電子構造の解明について多くの有用な結果が得られていることから、研究は当初の計画通りに順調に進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
物質開発の効率のさらなる向上を図るために、原子層超伝導薄膜作製プラットフォームの整備と改良を進める。電子状態の空間分布を高精度でマッピングするために、真空紫外レーザー光の集光光学系を作成する。空間分解能向上のために、電子分析アナライザーの電子光学系の調整を行うとともに、レーザーの集光位置の高精度でアライメント機構を作製する。さらに、試料マニピュレーターの振動を評価し、超高真空下での回転導入、5 Kの測定温度、1 um以下の振動低減を満たすことのできる低振動マニピュレーターの開発を行う。電子状態を空間マッッピングから得られる大量のデータを即時に解析するための、高速アルコリズムを作成し、解析システムに実装してプログラムの運用を行い、優れた超伝導特性を示す試料作製条件を抽出することで、原子層高温超伝導体開発の高効率化を目指す。
装置の開発と並行して、原子層超伝導体や関連物質の作製と光電子分光実験を行う。アルカリ金属吸着により超伝導体化に成功した多層FeSe超薄膜と、60 Kの高温超伝導を検証した単層FeSe超薄膜の開発を更に推し進め、基板の種類と薄膜成長条件の最適化とキャリア量の制御により、液体窒素温度を超えるTcを目指す。その一貫として、カルコゲン元素をSに置換した試料の作成を行い、原子層高温超伝導の発現機構に関わる電子状態を見出す。111鉄系高温超伝導体と同じ結晶構造を有するWHM(W = Zr, Hf, La; H = Si, Ge, Sn, Sb; M = O, S, Se, Te)層状物質は最近見出された線ノードを持つ特殊な半金属であり、その層間に電気化学的な方法で原子・分子を挿入して、新しいタイプの超伝導発現を目指す。さらに、これらの物質のMBE薄膜を作製し、表面および層間へのアルカリ金属などの吸着・挿入によってその超伝導体化を目指す。
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[Presentation] Superconducting graphene2018
Author(s)
K. Sugawara, T. Takahashi
Organizer
12th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors
Int'l Joint Research / Invited
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[Book] 放射光利用の手引き2019
Author(s)
東北放射光施設推進会議推進室
Total Pages
344
Publisher
アグネ技術センター
ISBN
978-4-901496-95-7
