Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

物性実験 / 表面界面 / 原子層物質 / 強磁性 / 高温超伝導 / 2次元物質 / 磁性 / 表面・界面物性

2020年度はまず、典型的な2D v-DW強磁性体であると議論されているVSe2のX線磁気円二色性(XMCD)測定を行った。その結果この系で6K、10Tにおいて優位なXMCDの信号を観測することに世界で初めて成功した。しかし磁場をゼロにすると残留磁化は残らず、単層VSe2が6Kでも常磁性的であることが実証できた。しかし詳細な定量的解析を行うことで、この系では長距離磁気秩序は存在しないものの、短距離秩序は残っており強磁性状態に近いことが分かった。
さらに我々が世界に先駆けて開発したトポロジカル絶縁体内部に磁性元素Mnが単原子層埋め込まれているMnBi2Se4に関して引き続き研究を行った。特にこれまではMn層が単一で存在するMnBi2Se4/Bi2Se3ヘテロ構造に注目していたが、Mn層間の磁気的相互作用を明らかにするため、MnBi2Se4/n QL Bi2Se3/MnBi2Se4/Bi2Se3サンドイッチ構造への展開を行った。角度分解光電子分光(ARPES)を用いた電子状態測定から、サンドイッチ構造では磁性元素挿入による時間反転対称性の破れに由来する表面ディラックコーンギャップ以外にnが小さい場合は表裏のディラックコーンの波動関数の混成に由来する混成ギャップも同時に生じることが分かった。さらに予備的なXMCDから、n=1,2,3のサンドイッチ構造では通常のヘテロ構造に比べてキュリー温度が上昇し、さらに保持力や残留磁化も大きいことが分かった。今後更に多くのnに対して系統的な測定を行うことで、Mn原子層間の磁気的な相互作用の詳細を明らかにしていく。

超伝導 / カルコゲナイド / 原子層物質 / 界面超伝導 / 薄膜 / 水素 / チタン酸ストロンチウム / 2次元超伝導 / 2次元物質 / 酸化物半導体 / 水素化 / 水素修飾 / SrTiO3 / ペロブスカイト / 鉄系超伝導 / 電子フォノン相互作用

本研究では、二次元超伝導FeSeについてその薄膜の作製と電気伝導による評価によって超伝導の性質を調査するものである。具体的には、FeSe/SrTiO3(STO)の界面が超伝導特性に重要であると考えられているため、STO表面におけるデバイ振動数を増加させれば超伝導転移温度Tc を増大させることができるのではと考えた。方法としては軽い元素の水素を修飾することによって界面のデバイ振動数を増加させることを計画した。要素技術として我々は、STO表面に水素を修飾させる技術を開発した。これによりSTO表面が水素原子によって覆われ水素からの電子ドープによってSTO表面が半導体的挙動を示すことを発見した。これを踏まえこの表面にFeSe薄膜を作製すればFeSeとSTOの界面に水素原子を導入することができる。ただ、FeSe自体の超伝導観測もハードルが高く、まず膜厚が1~数原子層程度であることから大気暴露ができないこと、超伝導に影響を与えないキャップ層の形成が難しいこと、抵抗率が低いため電気伝導率の測定装置を含めた全体的なシステムの開発が必要であることなどが挙げられる。また超伝導実現のためにはSTO表面の化学的・熱的処理が必要でありその最適化も重要である。このため我々は良質な単結晶FeSe薄膜作製の技術開発から行った。また電気伝導測定は超高真空中で行うために、専用の装置（独立駆動4短針STM）を用意した。結果として、STO表面を原子レベルで平坦にすることに成功し、またその上に良質なFeSe単結晶薄膜を作製することに成功した。また電気伝導測定も行い特性を調べたが、降温に伴って抵抗の低くなる金属的な挙動が得られており、超伝導化にはさらなる条件最適化が必要であることが分かった。今後更に条件を詰めて早いうちに超伝導観測と、界面の水素化による影響を調べていきたい。

【研究分担者】
秋山了太	東京大学	大学院理学系研究科(理学部)	助教	(Kakenデータベース)