強相関界面研究グループ

主宰者

主宰者名 川﨑 雅司 Masashi Kawasaki
学位 工学博士
役職 グループディレクター
略歴
1989 東京大学大学院工学系研究科化学エネルギー工学専攻 博士課程修了
1989 日本学術振興会特別研究員
1989 米国 IBMワトソン研究所 博士研究員
1991 東京工業大学 助手
1997 東京工業大学 助教授
2001 東北大学金属材料研究所 教授
2007 理化学研究所 交差相関超構造研究チーム チームリーダー
2010 同 強相関界面デバイスチーム チームリーダー
2011 東京大学大学院工学系研究科量子相エレクトロニクス研究センター 教授 (現職)
2013 理化学研究所 創発物性科学研究センター 副センター長 (現職)
2013 同 強相関物理部門 強相関界面研究グループ グループディレクター (現職)

研究室概要

当グループでは、運動量空間と実空間の双方において電子構造に幾何学的(トポロジカル)な特異性を持つトポロジカル物質の薄膜や界面を研究対象としている。これらの固体中では、従来の古典力学の理解の範疇を超えた非自明な効果が電子の運動に創発する。実空間の磁気渦や運動量空間の磁気単極子は巨大なホール効果に、光励起された分極結晶ではシフト電流による効率的な光電効果が生じる。これらの電子流は非散逸性が高いと期待でき、この電子流に情報やエネルギーを乗せて運ぶ新規デバイスを設計して実証し、トポロジカルエレクトロニクスという新たな分野を切り拓く。

研究分野

物理学、工学、化学、材料科学

キーワード

トポロジカルエレクトロニクス
薄膜・界面
トポロジカル物質
非自明光電効果
非自明ホール効果

研究紹介

分子線エピタキシー法で作製した高品質ヨウ化物薄膜における励起子特性の解明

ヨウ化物半導体は、強い光吸収や高い励起子安定性を持ち、太陽電池や発光素子などの光機能性材料として注目されている。近年は多彩な磁気構造や量子伝導も報告され、新しい量子物質としての可能性も広がっている。しかし、これまでヨウ化物の単結晶薄膜に関する研究は皆無であった。当研究室では、分子線エピタキシー法によるヨウ化物の高品質薄膜成長法を確立し、ヘテロ接合界面で発現する新規量子物性や機能性を開拓を目指している。

 その一環として、代表的なワイドギャップ半導体であるヨウ化銅(CuI)の薄膜成長を行い、格子整合するInAs基板上に高品質な単結晶薄膜の作製に成功した。作製した薄膜は、非常に高い格子コヒーレンスを持ち、その表面は原子レベルで平坦である。また、低温において非常にシャープな自由励起子発光の観測にも成功した。このような明瞭な励起子発光はCuIのバルク単結晶試料でも観測された例がなく、作製した薄膜が極めて欠陥密度の低い高い結晶性を有することを示している。これは、ヨウ化物薄膜を基軸とする新しい物性研究分野の創出につながる画期的な結果である。

図

エピタキシャル成長したヨウ化銅薄膜からの自由励起子発光の概念図

 

高移動度磁性半導体EuTiO3薄膜によるスピン偏極電子の量子伝導現象

磁性半導体はスピントロニクス応用材料として期待されている。多くの磁性半導体は磁性不純物をドープするため電子散乱により移動度が低く、電子の波の性質を反映した量子干渉効果を観察することは困難であった。我々は、酸化物半導体EuTiO3に注目し、磁性半導体の量子伝導研究を進めた。EuTiO3は反強磁性体であると同時に不純物ポテンシャルを遮蔽する性質をもつ量子常誘電体であるため、キャリアドープしたときの伝導電子の散乱が非常に少ない可能性がある。

有機金属ガス源を用いた分子線エピタキシー法と高温レーザー基板加熱機構を組みあわせ、我々が独自に開発したガスソース分子線エピタキシー装置を用いて、超高品質EuTiO3薄膜成長に成功した。2 Kでの最高移動度は3200 cm2V-1s-1に到達し、磁気抵抗量子振動を明瞭に観察した。量子振動の角度依存性から構築したフェルミ面の形状と第一原理計算を比較して、EuTiO3は磁場下での強磁性状態で伝導電子が100 %スピン偏極しており、3つのTi3dバンドのうちの2つのバンドが量子振動に寄与していることを発見した。EuTiO3はスピン偏極電子の量子伝導現象を研究する理想的な物質であると考えられる。

図

スピン偏極した電子の干渉効果の概念図

 

局所光励起下でのシフト電流発生とその伝達機構の解明

強誘電体などの空間反転対称性の破れた物質は、外部バイアスなしに光電流が発生するバルク光起電力効果を示す。この光電流にはいくつかの起源が提唱されており、長年の論争となっていた。そこで、可視光に対して強い吸収を持つ代表的な強誘電体のSbSIを対象とし、局所光励起下でのポテンショメトリー測定を行うことでその起源を探った。

SbSIの単結晶試料にレーザー光を集光し、光照射部分およびその外側の電位を同時に測定した。その結果、光照射部分では内部電場に逆行する光電流が観測されたのに対し、その外側には自発的に生じた内部電場によって電流が駆動されることがわかった。また、光照射部分の光電流は、試料の抵抗にも全く影響されないこともわかった。以上の結果は、光照射部分で発生する電流が波動関数のベリー位相に駆動されるシフト電流であり、外側には内部電場による通常の散逸的なドリフト電流として伝達することを示している。この結果をもとに、様々な形のデバイスにおけるバルク光起電力効果の予測が可能な等価回路モデルを決定した。さらにデバイス実証に向けて、分子線エピタキシー法による分極軸の揃ったSbSI薄膜の作製にも成功している。

図

強誘電体半導体のSbSIに局所光励起を行ったときの光電流発生の概念図

 

磁気単極子による磁性半導体の電子伝導制御

磁性と伝導の電気的制御が同時に可能となる「磁性半導体」は、新たな低消費電力のスピントロニクス素子候補材料として期待されている。また、電子濃度を容易に制御できる磁性半導体は、異常ホール効果を電気的に制御できるため、応用の観点から注目されている。

運動量空間において「磁気単極子」を創発する「ワイル・ノード」と呼ばれるバンド交差により、異常ホール効果の起源の1つである「内因性異常ホール効果」を定量的に説明できることが知られている。今回、反強磁性EuTiO3半導体において、薄膜の高品質化により、これまでは観測できなかった新しい異常ホール効果を発見した。

外部磁場により強磁性にユーロピウム(Eu)の磁気モーメントがそろう過程で、異常ホール効果が磁化に比例する通常の振る舞いから明らかに逸脱する現状を発見した。そしてこの現象は、ゼーマン分裂がわずかに変化しただけで、ワイル・ノードが創発する磁気単極子のエネルギー位置が変化してフェルミ準位を通過し、電子の軌道を変調するためであることを解明した。

図

運動量空間の磁気単極子(朱色の球)によって変調を受ける電子の運動の概念図

 

 

メンバー一覧

川﨑 雅司 Masashi Kawasaki

グループディレクター m.kawasaki[at]riken.jp R
高橋 圭 Kei Takahashi 上級研究員 kei.takahashi[at]riken.jp R

中村 優男 Masao Nakamura

上級研究員 masao.nakamura[at]riken.jp R

Denis Maryenko

上級研究員 maryenko[at]riken.jp
松野 丈夫 Jobu Matsuno 客員研究員 R

主要論文

  1. M. Uchida, S. Sato, H. Ishizuka, R. Kurihara, T. Nakajima, Y. Nakazawa, M. Ohno, M. Kriener, A. Miyake, K. Ohishi, T. Morikawa, M. S. Bahramy, T.-h. Arima, M. Tokunaga, N. Nagaosa, and M. Kawasaki

    Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-lattice magnetic semiconductor

    Sci. Adv. 7, eabl5381 (2021)
  2. T. Yasunami, M. Nakamura, S. Inagaki, S. Toyoda, N. Ogawa, Y. Tokura, and M. Kawasaki

    Molecular beam epitaxy of two-dimensional semiconductor BiI3 films exhibiting sharp exciton absorption

    Appl. Phys. Lett. 119, 243101 (2021)
  3. D. Maryenko, M. Kawamura, A. Ernst, V. K. Dugaev, E. Y. Sherman, M. Kriener, M. S. Bahramy, Y. Kozuka, and M. Kawasaki

    Interplay of spin-orbit coupling and Coulomb interaction in ZnO-based electron system

    Nat. Commun. 12, (2021)
  4. S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, M. Kriener, Y. Taguchi, and M. Kawasaki

    Intrinsic coupling between spatially-separated surface Fermi-arcs in Weyl orbit quantum Hall states

    Nat. Commun. 12, (2021)
  5. S. Inagaki, M. Nakamura, Y. Okamura, M. Ogino, Y. Takahashi, L. C. Peng, X. Z. Yu, Y. Tokura, and M. Kawasaki

    Heteroepitaxial growth of wide bandgap cuprous iodide films exhibiting clear free-exciton emission

    Appl. Phys. Lett. 118, 012103 (2021)

研究紹介記事