【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】17540314 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 超流動 / 量子渦 / 不純物効果 / アンデレーエフ束縛状態 / 局所状態密度 / 量子効果 / 異方的超伝導 / 渦糸 / 電子状態 / 準古典理論 / 走査型トンネル分光 / アイレンバーガー方程式 / 準古典近似 / STM / 分数渦 / ピン止め

【研究成果の概要】

時間反転対称性をもつ超伝導渦における不純物効果を調べるために、不純物効果とギャップ方程式の両方を自己無撞着に数値的に解き、超伝導渦まわりのエネルギーギャップの空間依存性の温度変化を調べた。その結果、カイラルP波超伝導体における渦糸まわりでは不純物効果が効かず、渦半径の収縮効果(Kramer-Pesch効果)が極低温まで観測され得ることを理論的に示すことが出来た.これは参照のために行ったS波超伝導渦におけるKramer-Pesch効果が、不純物散乱のために低温ではぼやけてしまうのと対照的である。カイラルP波超伝導体はSr2RuO4で実現していると考えられる。またKramer-Pesch効果は、渦糸周りの電流分布をミューオンスピン緩和法で測定することによって観測され得る。本研究によって時間反転対称性をもつ超伝導渦の特異な性質のひとつが見出され、かつその実験的検証も提案されたことになる。
時間反転対称性をもつ渦糸に対する不純物散乱効果を調べる際の関連テーマとして超流動ボース系における散乱問題に取り組み、異常トンネル効果と呼ばれる低エネルギー粒子に対するトンネル効果を調べた。その結果トンネルバリアーの詳細によらず超流動凝縮体の上の励起粒子は、低エネルギー極限で完全透過することを示した。類似の現象は、バルクのS波超伝導体における非磁性不純物効果や本研究課題のテーマである時間反転対称性をもつ超伝導渦における不純物効果でも見られており、不純物に対する特異な現象は、時間反転対称性をもつ量子凝縮系に普遍的な現象であることが強く示唆される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,770千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 270千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】12450003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁束フロー抵抗 / 電子比熱係数 / 表面インピーダンス / 走査型トンネル顕微鏡 / 高温超伝導体 / NbSe_2 / YNi_2B_2C / 電界イオン顕微鏡 / 電荷密度波 / 磁束 / Kramer-Pesch効果 / マイクロ波伝導度 / 走査型トンネル分光

【研究成果の概要】

本研究では、高温超伝導体、NbSe_2、YNi_2B_2Cといった、磁束芯の直径よりも準粒子の平均自由行程が長いクリーンな第二種超伝導体の磁束状態における電子状態を、表面インピーダンス測定、比熱測定、走査型トンネル電子顕微鏡(STM)による表面電子状態測定によって研究し、超伝導混合状態における新物性の探索を行った。
まず、熱的擾乱の影響を避けるため、0.5Kという極低温環境で動作する磁場中表面インピーダンス測定システムを完成させた。これを用いて、高温超伝導体YBa_2Cu_3O_yと異方的s波超伝導体であるクリーンなYNi_2B_2Cの磁束フロー抵抗を測定した。YBa_2Cu_3O_yでは、磁束芯がいわゆるmoderately cleanな状態にあり、古典的な常伝導芯とは異なることが解った。また、YNi_2B_2Cの磁束フロー抵抗が通常のBardeen-Stephenモデルから期待される値に比べ、2倍程度大きくなっていることを見出した。この結果は、超伝導ギャップの異方性が磁束芯内部での準粒子緩和に大きな影響を与えていることを意味している。
また、純度の異なる様々なNbSe_2において磁束状態における電子比熱係数の測定を行い試料全体の準粒子状態密度が、純度が向上するにしたがって通常期待される磁場に比例した振る舞いから大きく逸脱することを見出した。重イオン照射によって多数のピン止め中心を導入した試料でも同様な異常が観測されたことから、異常の原因は磁束芯外部にあることがわかった。NbSe_2では超伝導と電荷密度波(CDW)が共存するが、詳細な電気抵抗率の測定と本研究で開発した極低温STMによるCDWの直接観測の結果、状態密度の異常はCDWの発達と非常に強い相関があることが解った。
STMは装置の開発に予想外の時間がかかり、磁束系へ十分な応用はできなかったが、Mott転移近傍の電子状態の解明に成果を上げることができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】7,700千円 (直接経費: 7,700千円)

【研究分野】物理学一般

【研究領域課題番号】12874046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

低温 / STM / IRAS / 走査型トンネル分光 / 赤外反射吸収分光 / CO / 吸着

【研究成果の概要】

極低温IRAS/STM装置の立ち上げと最適化を前年度にひきつづき行った。STMモードでは約6Kを達成した。IRASモードではシャッターを一部開けるため、最低温度は、約11Kになるが、現在世界ではトップである。この温度領域で分子の吸着を行い、IRAS測定を行なった。プローブ分子としてはCOを用い、Pt(997)ステップ面でのCOの吸着位置、表面マイグレーションを観測して、評価した。一方STM装置は、全体の除震機構を改良した。常温で原子分解能が得られたので、これからは、低温での測定を可能にしたい。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】表面界面物性

【研究領域課題番号】05555007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

原子移送 / 走査型トンネル顕微鏡 / 電界放射顕微鏡 / 走査型トンネル分光法 / ピエゾ素子慣性駆動 / シリコン(lll)面 / タングステン / T-F処理 / シリコン(111)面 / 超高真空 / 3次元粗動 / ピエゾ素子慣性駆動モータ / 電界放射電子分光法 / 3次元粗動機構 / ピエゾ慣性駆動モータ

【研究成果の概要】

前年度までに完成させた、ピエゾ素子慣性駆動マイクロメータネジによって前・後進できる超高真空用リニアステージをxyz3方向に組み合わせた3次元粗動機構を用いて、Si(lll)7×7表面を試料としてSTM/STS観察前後での走査探針のFEM像の変化を迅速に調べた.用いた探針は、[lll]方位の単結晶Wワイヤーから電界研磨法で作製したもので、超高真空中で高電界を印加したまま1000℃以上に加熱するT-F処理を施したものである.その先端表面のW原子以外の不純物は電界脱離されていて、先端は原子スケールで清浄で鋭利になっている.この探針を用いて、STS測定前後の探針のFEM像変化に注目しながら、STS測定時に掃引する探針-試料間電圧を-2〜2V、-3〜3Vの2通りに選んで実験した.各STSの測定前には、T-F処理により探針の清掃化と先鋭化をおこなった.その結果、-2〜2Vの範囲の掃引電圧のSTSスペクトルでは、Si(lll)7×7表面の特徴を表すエネルギー・ピーク位置が再現性よく得られた.ただし、ピーク強度の再現性は必ずしも良好ではなかった.一方、-3〜3Vの範囲の掃引電圧のSTSスペクトルでは、エネルギー・ピーク位置の再現性ですら悪かった.1フレームのSTS測定が終了した後ただちに、探針先端のFEM像を観察した.-2〜2Vの範囲の掃引電圧のSTS測定後のFEM像は、測定前のFEM像とほとんど変わることがなく、先端の仕事関数が低い(lll)面からの電界放射が安定に観察された.一方、-3〜3Vの範囲の掃引電圧のSTS測定後のFEM像は、測定前のFEM像とは異なって先端部が暗くなった.掃引電圧の影響で試料であるSi原子が走査探針に原子移送され、Siの吸着により電界放射像が暗くなったと考えられる。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】9,300千円 (直接経費: 9,300千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】04650596 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査型トンネル顕微鏡 / 走査型トンネル分光法 / Si(シリコン) / Ge(ゲルマニウム) / ダイマー / エピタキシャル成長 / シリコン / ゲルマニウム / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

Si(001)面に蒸着した少量のSi、またはGe原子の配列と電子状態をSTM/STSで捉えた。蒸着Si、Ge原子は(001)面上でダイマー列に沿った方向に優先的に2次元成長する。ダイマー列終端部の原子配列に注目し、Si、Geの成長機構を検討した。基板温度300℃で成長させると、ダイマー列終端部の列の延長線上で、1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上にダイマーが配置され、また、もう1ダイマー分だけ離れた下地ダイマー列上に1原子が配置される場合があることをSTM観察から見い出した。ダイマー列終端部は、基板ダイマー列方向に沿って拡散してきた原子を捕獲するが、必ずしもダイマーが連続的に配置されず、拡散原子は、ダイマー列延長線上の下地ダイマー列上で安定構造を取り得る。この配置のダイマーは、連続的に配置したダイマーと異なり、占有状態のSTM像で2原子が分離して観察される。この領域のスペクトルは、エネルギーギャップの増加と空状態密度の増加を示した。占有状態のダイマー結合軌道から変化して、列終端部での原子位置変化がsp^3混成度を減少させたことが示唆される。
Si-Ge混晶系で注目されている自然規則合金相の形成機構を解明するために、同一表面上のSiとGe原子をSTM/STSで識別できるかどうか検討した。STM/STSは、SiとGeのように電子構造が類似していると、種より配列に強く影響を受ける。そこで、深い準位のスペクトルに注目し、約-5Vまでの占有状態スペクトルを測定し、SiとGeの各々のスペクトルとの対応を調べた。Si(001)とGe(001)面のUPS測定では、SiとGe各々のダイマー結合よるE_F-3.0eVと-2.4eVのピークが現れる。Si(001)面上のGeダイマー上でこれらのピークに対応するトンネルスペクトルの減少と増加が観察された。この結果を基に、微傾斜Si(001)面上にGeをステップフロー成長させ、テラス上ステップ端周辺(Ge堆積領域)にGeに対応するトンネルスペクトルの変化を確認し、原子識別の可能性を示した。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)