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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J13331/
• 关键词: トポロジカル物質; ディラック半金属; 薄膜; 量子ホール効果; 電界効果; 表面状態; ヘテロ界面; ワイル半金属; トポロジカル相転移

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。

3-D quantum transport phenomena are expected to occur in the form of a semi-metallic phase and a mass dependent particle. In this study, we aim to prepare high quality Cd3As2 thin film samples for semi-metallic materials with spatial symmetry and temporal symmetry, and to characterize the thin film samples with dimensional symmetry and interfacial freedom. The film formation technique of high temperature and high quality thin film samples is realized by high temperature and high temperature deposition method, and the surface conductivity is measured by high magnetic field and low concentration field and quantum effect is displayed by high temperature and high temperature deposition method. In particular, the surface structure of the thin film sample must be made on the inside and outside, and the surface state of the sample can be controlled independently due to electrical effects. Therefore, the surface quantum state of the semi-metal can be reported on the surface of the sample by the current porous dielectric body, and the surface state and surface state of the sample on the inside and outside can be integrated. The formation of cyclic orbits characterized by semi-metallic features is understood in detail. The preparation of Cd3As2 thin film and magnetic interface, and the introduction of magnetic interface effect We have successfully produced high-quality Cd3As2 on magnetic substrates and magnetic ferrous-type acid films, where quantum vibration and surface conduction are clearly understood and can be observed. In particular, we have successfully observed the abnormal effect of magnetic proximity on magnetic substrates. The results of this study are expected to accelerate the development of non-self-evident electrical conduction phenomena and the development of functional properties of semi-metallic materials in the future.

项目成果

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

• 发表时间: 2019
• 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

• 发表时间: 2019
• 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

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）

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

ディラック半金属(Cd1-xZnx)3As2薄膜における表面量子輸送現象

狄拉克半金属 (Cd1-xZnx)3As2 薄膜中的表面量子输运现象

• 发表时间: 2018
• 作者: 西早辰一;打田正輝;中澤佑介;栗原綾佑;M. Kriener;三宅厚志;田口康二郎;徳永将史;川﨑雅司
• 通讯作者: 川﨑雅司