【研究領域課題番号】18H01167 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査型SQUID顕微鏡 / 走査型トンネル顕微鏡 / 磁気トロイダルドメイン / 周波数依存性 / SQUID磁気顕微鏡 / SQUID / 磁気顕微鏡 / トロイダルドメイン / STM / 超伝導 / 磁性体

【研究成果の概要】

本研究では、開発した磁気顕微鏡を用いて電流誘起磁化を観測することで、強トロイダル金属UNi4Bにトロイダルドメインが存在することを明らかにした。具体的には、電流誘起ホール効果の測定から期待されている周波数依存性が電流誘起磁化にも現れることを利用して、アンペールの法則で生じる磁場と明確に分離することに成功した。その上で、測定位置を変えると、周波数依存性の振る舞いや信号の符号が変化することも分かった。これは、トロイダルドメインの存在を示唆する結果である。

【研究の社会的意義】

「電場（電流）で生じる磁化」や、「磁場で生じる電気分極」といった電気磁気効果は、新規デバイスへ応用できる可能性を秘めており、盛んに研究が行われてきている。このような現象を示す物質はここ２０年間で数多く発見されてきたが、電気を流せる金属の研究は非常に限定的だった。本研究では、強トロイダル金属UNi4Bで電気磁気効果が現れること、さらにトロイダルドメインが存在することなど、最も基本的で重要な現象を明らかにすることに成功した。本研究は、今後の金属に関する電気磁気効果の発展の礎になると考えている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】16K13683 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 超薄膜 / 走査トンネル顕微鏡 / 表面・界面物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

本研究では空間分解可能な電気伝導測定を用いて、表面・極薄超伝導体の高い臨界電流の起源を解明することを最終目的とした。そのために、まず高品質の単一ユニットセル(1UC)超伝導FeSe超薄膜を作製する条件を探索した。そして基板を520℃で加熱しFeとSeを共蒸着することで、ドメインの大きい1UCFeSe薄膜を作製できることを走査トンネル顕微鏡(STM)観察により明らかにした。一方、5Kでの走査トンネル分光(STS)測定では、超伝導特性が局所的に異なっていた。今後走査トンネルポテンショメトリ(STP)測定でこのような超伝導特性の局所的な違いが高い臨界電流にどのように影響しているかを明らかにする。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H05453 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 走査トンネル顕微鏡 / ラシュバ効果 / 物性実験 / 表面・界面 / 表面・界面物性 / 超薄膜

【研究成果の概要】

本研究ではSrTiO3(001)基板(STO)の表面超構造と、その上に成長させた単一ユニットセルFeSeの超伝導特性の関係を走査トンネル顕微鏡/分光測定を用いて調べた。反射高速電子回折観察を行いながらSTO基板の加熱温度を変化させることで、STOの表面超構造を2×1と√2×√2に作り分けることに成功した。さらにこの表面超構造が、上に成長させたFeSeを介して観察できることがわかり、超伝導ギャップの大きさが超構造に依存している( 2×1 上では10-15 meVで、√2×√2では15-17.5 meV)ことを世界で初めて観測した。この起源はSTO基板の終端面に関連していると思われる。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】23,790千円 (直接経費: 18,300千円、間接経費: 5,490千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】26246022 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化物表面 / 界面 / 走査プローブ顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / ペロブスカイト / 二次元電子状態 / 超伝導 / 金属酸化物 / 表面 / 酸化物エレクトロニクス / 薄膜 / 酸化物薄膜 / 表面科学 / 表面・界面物性 / 強相関エレクトロニクス / 強相関電子系 / 超薄膜 / 電気伝導 / 二次元電子 / 酸化物 / 表面・界面

【研究成果の概要】

遷移金属酸化物は、通常の半導体には見られない多彩な機能を示すことから、次世代エレクトロニクス材料として活発な研究が展開されている。近年、酸化物作製技術が急速に発展したことにより、原子レベルで急峻な界面を有する薄膜やヘテロ構造の作製が可能になり、新しい物性・機能が見出されている。このような酸化物薄膜やヘテロ構造が示す機能の探求・解明のためには、酸化物薄膜について、電子状態評価を原子レベル空間分解能で行うことが重要である。
そこで、我々は独自の走査トンネル顕微鏡-成膜装置複合システムを構築し、遷移金属酸化物薄膜表面・界面の原子構造と電子状態に関する研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26610092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

透明導電体 / 透明超伝導 / 薄膜 / 酸化物 / 超伝導 / 透明超伝導体 / 走査トンネル顕微鏡 / 光学特性 / 光学

【研究成果の概要】

超伝導体は金属光沢か黒色を呈する、というのが常識である。BCS理論に従うと、高い超伝導転移温度を有する物質はキャリア濃度が大きいため、可視光透明性が失われるはずである。しかし、我々は超伝導転移温度13.3 Kを示す、スピネル型LiTi2O4透明超伝導薄膜(可視光を透過する超伝導体)の合成に成功した。この物性を活用することにより、光エレクトロニクスと超伝導を組み合わせた新奇デバイスの構築が期待される。そこで本研究では、透明超伝導メカニズムの解明に取り組んだ。光学特性、電子状態評価、電子輸送特性評価を行い、高いキャリア濃度を有するにもかかわらず可視光透明性を示す理由を検討した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】25286055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネル顕微鏡 / 近接効果 / ２次元超伝導 / 強磁性薄膜 / ラシュバ効果 / 点接触 / 超伝導 / 強磁性

【研究成果の概要】

常伝導金属を超伝導体に接触させると、超伝導ライクな性質が接触界面近傍に現れる。走査トンネル顕微鏡による局所トンネル分光の機能を生かして、誘起された超伝導特性およびその空間分布を評価し、欠陥構造や電子状態による影響を明らかにした。
２次元金属層における近接効果による研究では、原子層ステップ構造が超伝導特性に大いに影響を与えること見出された。超伝導の拡がりを遮断するとともに、ステップと界面間では増強させることが明らかとなった。
強磁性体との近接効果では、超伝導特性が界面近傍において破壊される逆近接効果が観察された。破壊の拡がりに異方性が見出され、フェルミ面形状によるものと結論された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】25220710 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

重い電子 / 非従来型超伝導 / 量子臨界点 / 界面 / スピン密度波 / 量子スピン液体 / 鉄系超伝導 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 鉄系高温超伝導 / 銅酸化物高温超伝導 / 重い電子系 / 超伝導対称性 / トンネル顕微鏡 / 人工超格子 / 超伝導 / 分子線エピタキシー / 量子臨界 / ２次元 / BCS-BECクロスオーバー / 量子スピン系 / 空間反転対称性の破れ / 空間反転対称性 / 新奇超伝導状態 / 走査型トンネル顕微鏡 / 界面制御

【研究成果の概要】

重い電子系化合物の人工制御、特に重い電子系化合物CeCoIn5、CeRhIn5を含む様々な人工超格子を作製し、量子臨界点の研究や新奇な超伝導状態の研究を行った。特にd波超伝導体CeCoIn5を含むトリコロール超格子により、空間反転対称性の破れを人工的に制御することに成功し。さらにCeCoIn5とスピン密度波化合物CeRhIn5を原子層単位で、積層成長させた人工超格子を作製し、圧力をかけることにより、界面を通して磁気揺らぎを超伝導状態に注入することに成功した。また超高真空中でエピタキシャル成長し清浄表面を持つ、CeCoIn5とCeRhIn5薄膜のトンネル顕微鏡による分光にも成功した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】244,270千円 (直接経費: 187,900千円、間接経費: 56,370千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】23686002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 酸化物 / 透明導電膜 / 走査トンネル顕微鏡 / エピタキシャル薄膜 / 超伝導 / 超薄膜 / 走査プローブ顕微鏡 / 太陽電池 / 環境材料 / 物性実験

【研究成果の概要】

d電子系透明導電体・材料設計指針の再構築
透明導電膜のメカニズムを原子スケールで理解するための土台作りと、新規透明導電体の探索を行った。前者に関しては、走査型トンネル顕微鏡を用いてSrTiO_3基板、および、酸化物薄膜の電子状態の評価を行った。そして、後者に関しては、我々が見いだしたLiTi2O4透明超伝導体について、そのメカニズムの検討を行った。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】25,350千円 (直接経費: 19,500千円、間接経費: 5,850千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】21360018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

走査トンネル顕微鏡 / 走査トンネル分光 / メゾスコピック超伝導 / 薄膜超伝導 / 量子化磁束 / 渦糸 / ナノサイズ超伝導 / 超伝導 / 近接効果

【研究成果の概要】

励起状態でプロトン移動する化合物群を対象とし、固相で強く発光する新規な有機発光材料開発に向けた研究を行い、(1)強く発光する固体発光材料の新しい設計指針として、コンホメーション固定による無輻射失活抑制が有効、(2)プロトン移動後の基底・励起状態に対する置換基の電子効果の違いに基づき、多様な発光色を示す新規な有機発光材料を開発、(3)集積構造の違いを利用し、熱や加圧などの外部刺激で発光色変換が可能な発光スイッチを開発、および(4)励起状態の安定化に基づく無色透明な白色発光材料の開発、などの成果を得た。低温磁場下で作動する超高真空走査トンネル顕微鏡を用いて、ナノサイズの鉛の超伝導体中での超伝導特性、特に磁場下で形成される渦糸(量子化磁束)の構造に関して、その実空間観察を通じて明らかにした。超伝導体のサイズ等を制御することにより、ナノサイズ超伝導体に特有の巨大渦糸構造や渦糸のクラスター状態の観察に成功し、その素性を明らかにすることができた。また、トンネル電流の注入により渦糸が励起できることも見出し、励起プロセスのメカニズムを考察した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】19340096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 量子渦糸 / 走査トンネル顕微鏡 / 渦糸クリープ / 超伝導量子渦糸 / 超薄膜 / 低温物性 / 渦糸ガラス / 渦糸物質 / 走査プローブ顕微鏡 / 超精密測定

【研究成果の概要】

極低温(0.16K)・高磁場(15T)ではたらく走査トンネル顕微鏡を開発、これを用いて、磁場4Tまで、温度0.4K、4.2Kにおいて第2種超伝導体YNi2B2Cの超伝導渦糸の磁場勾配を駆動力とする渦糸集団運動を可視化し、動画を作ることに成功した。渦糸格子の刃状転位が、渦糸束の大きさを決め、渦糸集団運動に重要な働きをしていることを、走査トンネル顕微鏡による実空間・実時間測定により初めて明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【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】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】11740169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超伝導 / 表面 / 走査トンネル顕微鏡 / 光電子分光 / Ag / Ge

【研究成果の概要】

本研究は、極低温において超伝導を示すといわれるAg/Ge(100)表面について光電子分光及び極低温STM/STS測定を行い、表面にのみ存在する超伝導の表面構造と電子状態との相関を明らかにしようとするものである。平成12年度には以下のことを行った。まず、Ag島の電子状態を知るために、高エネルギー加速器研究機構・放射光研究施設の共同利用実験(PAC No.99G153)として、Ge3dおよびAg4dの表面内殻準位シフトと価電子帯の角度分解光電子分光測定を、蒸着温度と蒸着量で決まるいくつかの表面構造の試料について行った。この結果、Ag島、特に2次元的な島は下地Geと強く相互作用してGe清浄表面の表面準位をなくし、代りに新たないくつかの状態を作っている様子や、3次元的な島では既にAgがバルク的な振る舞いを見せることが分かった。これらはこれまでのSTM観察と矛盾しない結果である。またAg島の成長のメカニズムを知るため、室温STM観察を高空間分解能で行い、Agの初期吸着サイトの候補をいくつかに絞ることができた。第一原理計算による安定構造・STM像のシミュレーションにも協力し、実験結果と比較することでいくつかの知見が得られた。さらに、極低温でのSTM/STS観察を高分解能で行うため、新たに導入された極低温STM装置の立ち上げを行い、光電子分光実験で用いたものと同様の試料について、すでに測定にとりかかっている。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)