メゾスコピック系における電子－格子相互作用の制御

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2004年のNovoselovとGeimによるグラフェンの発見を契機に、2次元性の強い層状物質を結晶性良く薄膜化できるようになった。このような低次元系は、バルク結晶では行えないキャリア密度の電界制御など、物性制御の観点から重要な研究テーマである。本研究では原子層物質の新たな制御方法として、表面弾性波を用いる手法に着目した。表面弾性波とは、圧電性を有する基板表面に局在した弾性波で、基板上に作製した櫛形電極に数GHzの交流電場を印加することで誘起される。これまで本研究では、原子層超伝導薄膜NbSe2に表面弾性波を照射することで、その伝導特性の変調を行ってきた。圧電LiNbO3基板上に超伝導NbSe2薄膜を転写し、表面弾性波を照射しながら電流電圧特性を測定した。その結果、概形は通常の超伝導体薄膜と同様のゼロ抵抗特性が観測された。しかし、ゼロ電流付近に着目すると、電流とは逆符号の電圧が生じることが分かった。これは抵抗が負になることを意味している。さらに、原子層超伝導NbS2薄膜や、単体Nb薄膜を用いて対照実験も行ってきた。しかし、これらの薄膜では負抵抗は観測されなかった。これらの結果から、表面弾性波に変調された電荷密度波と超伝導との相互作用が負抵抗の本質だと分かった。本年度はこれらの実験結果を理論的に説明する描像の構築を行った。NbSe2薄膜では、表面弾性波照射によって、電荷密度波のソリトン-反ソリトンの対が形成され得る。このソリトン対を時間依存する静電容量と等価と見なし、これと超伝導ドメインが直列に繋がるジョセフソン接合モデルを構築することで、実験で観測されたゼロ電流付近の負の抵抗を定性的に再現することができた。本研究で得られた成果は、原子層超伝導薄膜の新たな一面を開拓したものであり、将来的には、周期的な外場で量子状態が制御可能なフロッケ・エンジニアリングの舞台となり得る。また、この成果をまとめ、論文として投稿した。