Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超伝導 / 強相関電子系 / 電気化学 / リチウムイオン電池 / 二次元物質 / 酸化物エレクトロニクス / エピタキシャル薄膜 / 超伝導ドーム / 遷移金属酸化物 / 透明導電体 / Liイオン電池 / エピタキシャル成長

本研究は，二次元NbO2超伝導層の全貌を明らかにする研究である。初年度である昨年度には，その舞台となる二次元NbO2層を持つLi1－xNbO2の薄膜合成法を確立し，電子構造と二次元超伝導の観測に成功した。その結果，本研究の第一の目標である"NbO2超伝導層が理想的である"ことが証明され，本年度にPhysical Review B誌に原著論文が掲載された。
また本年度は，第二の目標である"NbO2超伝導層の全貌を解明する"ことに尽力した。その結果，以下の成果が得られた。
①[Li1－xNbO2電気化学デバイスの作製] 合成に成功したLi1－xNbO2エピタキシャル薄膜を電極としたLiイオン電気化学デバイスを作製した。そのデバイスに対して電圧を印加するとLiイオン電池の充電/放電反応が起こり，薄膜に含まれるLi量が連続的かつ可逆的に変調できることが明らかとなった。その結果，Li量xが様々かつ精密に調整されたLi1－xNbO2が同一試料で実現し，NbO2層の物性を詳細に調べられるようになった。
②[NbO2層における電子相の解明] Li1－xNbO2の物性のLi量依存性を調べると，本物質はバンド絶縁体からフェルミ液体金属を経由し，最終的に非フェルミ液体状態へと転移し超伝導ドームを生じることが明らかとなった。これは二次元NbO2三角格子にホールキャリアが導入されていくにつれて電子相関が増していき，その結果として超伝導ドームが生まれるという銅酸化物高温超伝導体の電子相図と対応する結果である。更に，近藤効果の発現など二次元NbO2三角格子に特有な現象も観測された。これらの結果は本研究の第二の目標である"NbO2超伝導層の全貌を解明できた"ことを表している。
これらの結果は原著論文としてまとまりつつあり，次年度に投稿予定である。

超格子構造 / 空間反転対称性 / f電子系 / 強相関電子系 / FFLO状態 / 量子臨界点 / 異方的超伝導 / エピタキシャル成長

本研究の目的は、空間反転対称性が破れている結晶構造を持つ重い電子系超伝導体において期待されている新奇超伝導状態に対する新しい切り口として、重い電子系の薄膜作製技術を用いて、前例のない手法により人工的に重い電子超伝導体の空間反転対称性を制御し、新奇超伝導状態が起こるかどうかの検証をおこなうことである。
本年度の成果としては、昨年度に確立した薄膜成長装置であるMBEシステムのさらなる改良をおこない、1桁程度の高真空化を実現し、反強磁性体CeIn3と同じ結晶構造を持つ通常金属LaIn3の超格子構造の高品質化を達成した。CeIn3層の厚みの減少とともに反強磁性温度が低下し、CeIn3層の厚みが2単位格子程度で量子臨界点を示唆する非フェルミ液体的振る舞いを観測した。さらに磁場をかけることにより、この非フェルミ液体的振る舞いが通常の振る舞いに戻ることを明らかにした。この結果は、次元性という新しいチューニンバパラメータにより、反強磁性秩序を制御し、量子臨界点を実現できることを世界で初めて示すものである。結果をまとめたものがサイエンス誌に出版され、世界的に高く評価されている。さらに、この技術を用いて、CeCoIn5のエピタキシャル成長に世界で初めて成功し、バルク単結晶と同等な超伝導特性を示す薄膜を作製した。また、CeIn3と格子マッチングのよい絶縁体MgF2の超格子構造において、空間反転対称性が破れていることを明らかにしたこの系においては現時点ではエピタキシャル成長には至っていないが、今後の成膜条件の絞り込みによって空間反転対称性の破れた系のエピタキシャル超格子構造の創出が期待できる。

強相関電子系 / 積層構造 / 希土類化合物 / 異方的超伝導 / 反強磁性 / 量子臨界点 / エピタキシャル成長 / 薄膜 / 超格子 / 擬ギャップ / 二次元性

本研究め目的は、分子線エピタキシー法(MBE)による重い電子系Ce化合物の薄膜化技術を完成させ、用いた同じ結晶構造を持ちながら重い電子を持たない通常金属であるLa系化合物との積層構造を作製し、重い電子を擬2次元的に閉じ込めた系を人工的に作り出すこと、およびこのような系での物性測定により、低次元強相関電子系の理解へとつなげていくことである。
本研究の成果としては、まず、薄膜成長装置であるMBEシステムを用い、CeCoIn5超伝導体のc軸配向薄膜の作製に成功し、2Kにおいて超伝導転移を確認した。抵抗率の温度依存性および上部臨界磁場の温度依存性はバルク単結晶のものとほぼ一致している。次に、反強磁性重い電子系であるCeIn3薄膜の成長を行い、反射電子線高速回折(RHEED)にストリークがみられるエピタキシャル成長に成功した。X線回折による逆格子マッピング測定を行い、CeIn3薄膜が基板面方向にも良く配向した単結晶状の薄膜であることを確認した。電気抵抗率測定の結果はバルク単結晶の結果をほぼ再現し、10Kに反強磁性転移を確認した。さらに、通常金属LaIn3についてもエピタキシャル成長に成功し、これらを組み合わせてCeIn3とLaIn3の積層構造をもつエピタキシャル人工超格子の作製に成功した。電気抵抗測定の結果から、CeIn3層の厚みを少なくするにつれて反強磁性温度が低下していくことが明らかになり、2次元化による反強磁性転移の抑制に世界で初めて成功した。
以上により、重い電子系を2次元に閉じ込めることにより、反強磁性が抑えられ、量子臨界点へ近づけることができることを実験的に示すことができた。