Investigation of quantum dynamics of vortices and quantum critical phenomena in highly crystalline 2D superconductors

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本研究の目的は、剥離法により純良表面の得られるMoS2の単結晶表面上に作製した電気二重層トランジスタやNbSe2単結晶剥離膜を用いて、乱れが極限的に少ない完全2次元超伝導体の絶対0度近傍でおきる、量子ゆらぎに支配された超伝導物性（磁束の量子ダイナミクス、静的・動的量子相転移）を明らかにすることである。2022年度は、MoS2電気二重層トランジスタの1K以下の極低温中における磁場中輸送特性や磁束ダイナミクスを測定すべく、新たな希釈冷凍機の整備、3He冷凍機用パルス型電流・電圧特性測定系の構築を行った。さらに2K以上で実験可能な4He冷凍機からこれらの装置に試料を劣化させることなく移動させる手法も確立した。しかし、試料作製に不可欠な微細加工用のLED顕微鏡リソグラフィー装置（2021年度導入）の故障や動作条件の変化、これに用いるフォトレジストの劣化が発生し、これら不具合の解決に時間がかかり、1K以下の極低温測定まで進むことができなかった。一方、MoS2と同類の結晶構造を持つNbSe2単結晶薄膜の2Kまでの磁場中輸送特性や試料厚さ依存性を詳細に測定することにより、電子系が2次元となる原子層レベルの極薄膜でなくでも、系に生成される量子磁束が2次元となる比較的厚い（磁場侵入長程度の厚さ）試料においても、本研究課題の一つである量子金属状態がこれまでにない高精度で観測できた。さらにこの量子金属状態は、有限な電気抵抗があるにも関わらず、ホール抵抗や非相反抵抗が完全にゼロとなるという新たな特徴を発見するに至った。これらは本研究の試料範囲の幅を広げるだけなく、量子金属状態の発現条件や具体的モデルの把握につながる大きな進展となった。今後、MoS2とNbSe2の両試料を平行して研究することにより、本研究目的の量子ゆらぎに支配された超伝導物性が包括的に理解できると考えられる。