ディラック・磁性ワイル半金属薄膜における量子輸送現象の探索

狄拉克磁外尔半金属薄膜中量子输运现象的探索

基本信息

批准号：
18J13331
负责人：
西早辰一
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

3次元的なバンド縮退点(ワイル点)を形成するトポロジカル半金属相では、質量ゼロのワイル粒子が持つカイラリティに依存した特異な量子輸送現象を実現することが期待されている。本研究では、トポロジカル半金属の中でも空間反転対称性・時間反転対称性を保つディラック半金属の代表物質であるCd3As2の高品質薄膜試料を作製し、薄膜試料の特徴である次元性・キャリア濃度・界面の自由度を制御することで、量子輸送現象の解明と開拓を行うことを目的とした。パルスレーザー堆積法と高温アニールを組み合わせた成膜手法によって、高品質な薄膜試料を実現したことで、トポロジカル相の特徴でもある表面状態による伝導を観測し、さらにその表面伝導が高磁場・低キャリア濃度領域で量子ホール効果を示すことを明らかにした。特に、薄膜試料の表裏にゲート構造を作製し、それぞれの表面状態を電界効果で独立に制御することで、ディラック半金属における表面量子ホール状態が、従来のトポロジカル絶縁体で報告されている試料表裏の独立した2つの表面状態ではなく、ワイル点を介して表裏の表面状態とバルク状態が一体となった、トポロジカル半金属に特徴的な周回軌道の形成によって理解できることを示した。また、Cd3As2薄膜と磁性体とのヘテロ界面の作製を行い、界面での磁気近接効果の導入を試みた。磁性ガーネット基板や様々な磁性ペロブスカイト型酸化物薄膜上にも、明瞭な量子振動や表面伝導が観測可能な高品質なCd3As2を作製することを成功し、特にガーネット基板上で磁気近接効果に由来する異常ホール効果の観測に成功した。本研究で得られた結果は、ワイル点の非自明な電気伝導現象を開拓するものであり、今後トポロジカル半金属が持つ電子材料としての機能性の開拓を加速的に進展させるものと期待できる。

在形成三维条带退化点（WEIL点）的拓扑半金属相中，预计奇异的量子传输现象取决于零质量魏尔颗粒的手性。这项研究旨在通过CD3AS2阐明和发展量子传输现象，CD3AS2是狄拉克半学的代表性材料，它们在拓扑半学之间保持空间和时空的对称性，并控制界面的维度，载体浓度和载体浓度和自由程度，这是薄膜样本的特征。通过结合脉冲激光沉积和高温退火来实现高质量的薄膜样品，我们观察到由于表面状态引起的传导，这是拓扑相的特征，并进一步揭示了表面传导在高磁场和低载体浓度区域表现出量子厅的作用。特别是，通过在薄膜样品的正面和背面制造栅极结构并使用场效应来控制每个单独的表面状态，已经表明，可以通过拓扑半学分的形成轨道的形成，可以理解表面半度的轨道特征，而不是通过表面状态和背部的表面状态和前后，而不是魏尔，而不是魏尔，而不是独立的，而不是独立的。报道了传统的拓扑绝缘子。此外，在CD3AS2薄膜和磁性材料之间制造了异源面，并尝试在界面引入磁接近效应。我们已经成功制造了高质量的CD3AS2，可以观察到清晰的量子振动和磁性石榴石底物和各种磁性钙钛矿氧化物氧化物薄膜的表面传导，并成功地观察了由磁性接近效应引起的异常大厅效应，尤其是对Garnet substrates的磁性效果。这项研究中获得的结果旨在在Weil点开发非明显的电导传导现象，并且预计将来拓扑半学作为电子材料的功能的发展将在未来加速。

项目成果

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专利数量（0）

Weyl orbit quantum Hall states observed in Dirac semimetal Cd3As2 thin films

在狄拉克半金属 Cd3As2 薄膜中观察到的 Weyl 轨道量子霍尔态

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
S. Nishihaya;M. Uchida;Y. Nakazawa;R. Kurihara;K. Akiba;M. Kriener;A. Miyake;Y. Taguchi;M. Tokunaga;M. Kawasaki
通讯作者：
M. Kawasaki

Quantized surface transport observed in Dirac semimetal Cd3As2 films

狄拉克半金属 Cd3As2 薄膜中观察到的量子化表面输运

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Nishihaya Shinichi;Uchida Masaki;Nakazawa Yusuke;Kurihara Ryosuke;Akiba Kazuto;Kriener Markus;Miyake Atsushi;Taguchi Yasujiro;Tokunaga Masashi;Kawasaki Masashi
通讯作者：
Kawasaki Masashi

Molecular beam epitaxy of three-dimensionally thick Dirac semimetal Cd3As2 films

DOI：
10.1063/1.5098529
发表时间：
2019-07
期刊：
APL Materials
影响因子：
6.1
作者：
Y. Nakazawa;Masaki Uchida;S. Nishihaya;Shin Sato;Aiko Nakao;J. Matsuno;Masashi Kawasaki;Masashi Kawasaki
通讯作者：
Y. Nakazawa;Masaki Uchida;S. Nishihaya;Shin Sato;Aiko Nakao;J. Matsuno;Masashi Kawasaki;Masashi Kawasaki

University of Texas at Austin/Department of Physics/Prof. Keji Lai Group(米国)

德克萨斯大学奥斯汀分校/物理系/Prof. Keji Lai Group（美国）