低次元輸送現象研究ユニット

主宰者

主宰者名 Ding Zhang
学位 Ph.D.
役職 ユニットリーダー
略歴
2014 ドイツ　マックスプランク固体研究所　博士課程修了
2014 ドイツ　シュトゥットガルト大学　Ph. D
2014 中国　清華大学　ポスドク研究員
2016 中国 清華大学 助教
2018 中国 清華大学 准教授 (現職)
2021 理化学研究所 創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 低次元輸送現象研究ユニット ユニットリーダー (現職)

研究室概要

当研究ユニットでは、クーパー対形成を示す様々な低次元電子系を研究している。研究目的は、対生成の機構や波動関数の対称性などの基本的性質を明らかにすることである。さらに、特殊な条件下における低次元系物質において初めて可能になる新しい量子現象を探索している。実験手法は、ファンデルワールス物質系の原子層ヘテロ構造作製、リチウムや水素イオンのインターカレーション、極低温における磁場方位依存性と超強磁場下での物性評価などである。本分野の実験・理論の研究者との緊密な共同研究によって、これらの興味深い現象を総合的に理解することを目指している。

研究分野

物理学

キーワード

凝縮系物理学
高温超伝導体
ジョセフソン効果
低次元超伝導体
ファンデルワールスエピタキシー

研究紹介

ねじれ2層銅酸化物(超伝導体)におけるジョセフソントンネリング

超伝導は巨視的量子現象の一つである。超伝導状態は、水素原子の波動関数と同様、s-、p-、d-波などの量子力学的な波動関数で記述される。錫やアルミニウムなどの超伝導体は、s-波対称性の超伝導対が実現しているのに対し、議論は未だあるものの、銅酸化物ではd-波超伝導が実現していると考えられている。理論的には、二つのd-波超伝導体がc方向に積層構造をなすとき、一方の超伝導体を他方に対して捻ることによりジョセフソン結合の強度は変化する。回転角度とともに結合強度は単調に減少し、回転角度45°でゼロになる。s波超伝導体では、これとは異なり、回転角度によらず結合強度は変化しない。最近、我々は回転角度を精密に制御した高品質のジョセフソン接合を作製することに成功した。様々な回転角度の接合は全て単一トンネルブランチの振る舞いを示し、回転接合部分の両側のユニットセルの半分のみがジョセフソントンネル過程に関連していることを示唆している。興味深いことに、銅酸化物を45°回転させた時にジョセフソン結合が存在し、その結合強度は回転のないときと同程度であることが分かった。この振る舞いはs-波対称性と整合するものである。

回転積層した二つの銅酸化物層

 

数原子層のスタネンにおけるタイプIIのイジング対形成

近年、中心対称性の破れた二次元超伝導体は、従来期待される値をはるかに超えるような面内上部臨界磁場を示すことが明らかになってきている。この現象を説明するために、スピンの向きが面直に固定されたスピン分裂バンドから電子対が形成される、いわゆるイジング対形成機構が提唱されている。最近、非常に対称性の高い物質－数原子層のスタネン－において、面内の上部臨界磁場が増大することを観測した。これは、以前に同物質における超伝導の発見に続いて独自に見出したものである。さらに最近では、絶対零度に近づくと、臨界磁場が明確に増強することを見出した。しかしながら、スタネンは中心対称性を有しているために、観測された振る舞いはイジング超伝導に関する確立した理論では説明することができない。新たな機構の解明を目指した研究により、スピン軌道相互作用と物質の高対称性の結合によって生じる新しいタイプのイジング対形成―タイプIIのイジング対形成－を提唱した。本研究成果は、イジング超伝導の存在を強く示すものであり、またイジング超伝導体の実現範囲を広げるものである。

図

スタネンの結晶構造とイジング的クーパー対の概念図。 赤線はバンド分散であり、右上には錫の情報を示す。

メンバー一覧

Ding Zhang

 ユニットリーダー ding.zhang[at]riken.jp

主要論文

  1. H. Wang, Y. Zhu, Z. Bai, Z. Wang, S. Hu, H.-Y. Xie, X. Hu, J. Cui, M. Huang, J. Chen, Y. Ding, L. Zhao, X. Li, Q. Zhang, L. Gu, X. J. Zhou, J. Zhu, D. Zhang, and Q.-K. Xue

    Prominent Josephson tunneling between twisted single copper oxide planes of Bi2Sr2-xLaxCuO6+y

    Nat. Commun. 14, 5201 (2023)
  2. M. Liao, Y. Zhu, S. Hu, R. Zhong, J. Schneeloch, G. Gu, D. Zhang, and Q.-K. Xue

    Little-Parks like oscillations in lightly doped cuprate superconductors

    Nat. Commun. 13, 1316 (2022)
  3. M. H. Liao, H. Wang, Y. Y. Zhu, R. N. Shang, M. Rafique, L. X. Yang, H. Zhang, D. Zhang, and Q. K. Xue

    Coexistence of resistance oscillations and the anomalous metal phase in a lithium intercalated TiSe2 superconductor

    Nat. Commun. 12, 5342 (2021)
  4. Y. Zhu, M. Liao, Q. Zhang, H.-Y. Xie, F. Meng, Y. Li, Z. Bai, S. Ji, J. Zhang, K. Jiang, R. Zhong, J. Schneeloch, G. Gu, L. Gu, X. Ma, D. Zhang and Q.-K. Xue

    Presence of s-Wave Pairing in Josephson Junctions Made of Twisted Ultrathin Bi2Sr2CaCu2O8+x Flakes

    Phys. Rev. X 11, 031011 (2021)
  5. J. Falson, Y. Xu, M. Liao, Y. Zang, K. Zhu, C. Wang, Z. Zhang, H. Liu, W. Duan, K. He, H. Liu, J. H. Smet, D. Zhang, and Q.-K. Xue

    Type-II Ising pairing in few-layer stanene

    Science 367, 1454 (2020)

お問い合わせ

E-mail：
ding.zhang[at]riken.jp

関連リンク