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

高结晶二维超导体中涡旋量子动力学和量子临界现象的研究

基本信息

批准号：
21H01792
负责人：
野島勉
金额：
$ 8.4万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01792/
关键词：
超伝導 2次元超伝導体量子磁束

项目摘要

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。

本研究的目的是利用在MoS2单晶表面制作的双电层晶体管和NbSe2单晶剥离薄膜来创建具有最小扰动的完美二维超导体，该薄膜可以通过剥离获得纯表面方法的目的是阐明在绝对 0 度附近发生且由量子涨落主导的超导物理特性（磁通量的量子动力学、静态/动态量子相变）。 2022财年，我们将开发新型稀释制冷机，并开发3He制冷机的脉冲式电流/电压特性测量系统，以便测量MoS2双电层晶体管在以下极低温度下的磁场输运特性和磁通动力学1K。此外，我们还建立了一种将样品从 4He 冰箱转移到这些设备的方法，该冰箱允许在高于 2K 的温度下进行实验，而不会降低它们的性能。然而，样品制备所必需的用于微细加工的LED显微镜光刻设备（2021年引进）出现了故障，操作条件发生了变化，所使用的光刻胶也发生了劣化，解决这些问题需要时间。可以继续测量低温。另一方面，通过对与MoS2具有相似晶体结构的NbSe2单晶薄膜在高达2K的磁场中的传输特性和样品厚度依赖性的详细测量，我们发现具有二维电子的超薄膜即使系统中产生的量子磁通量是二维的，即使在相对较厚的样品中（厚度大约与磁场穿透深度相同），也可以获得原子层水平的量子金属态。是这项研究的课题之一，我能够以前所未有的精度来观察它。此外，他们还发现了这种量子金属态的一个新特性：尽管电阻有限，但霍尔电阻和不可逆电阻完全为零。这些结果不仅扩大了这项研究的样本范围，而且在理解量子金属态发展的条件和具体模型方面取得了重大进展。未来，通过并行研究MoS2和NbSe2样品，相信我们将能够全面了解量子涨落控制的超导特性，这也是本研究的目标。