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。

The purpose of this study is to clarify the superconductivity (quantum dynamics of magnetic flux, static and dynamic quantum phase transition) dominated by quantum fluctuations, which occur at the absolute 0 degree of absolute 2D superconductors, which are produced on the single crystal surface of MoS2, which is obtained with purely good surfaces by peeling, by using an electric double layer transistor and NbSe2 single crystal peeling film that are在MOS2的单晶表面上制造，通过剥离获得，以揭示出在绝对2D超导体的绝对0度下发生的超导性能（磁通量，静态和动态量子相变的量子动力学），并且具有极低的干扰。在2022财年，为了测量MOS2电动双层晶体管的传输特性和磁通量在低于1K的温度下，我们建立了一个新的稀释冰箱，并构建了3个冰箱的脉冲型电流和电压特性测量系统。此外，已经建立了一种方法，可以从4HE冰箱中移动样品，这些样品可以在2K或更高的情况下转移到这些设备的情况下而不会降解。但是，出现故障，操作条件的变化，用于样品制备的光蛋白师是必不可少的，并且对于1K或更少的超晶体温度测量值有耗时的解决方案。 On the other hand, by measuring the transport characteristics and sample thickness dependence of NbSe2 single crystal thin films with a crystal structure similar to MoS2 in detail, we were able to observe the quantum metal state, one of the subjects of this research, with unprecedented accuracy, even in ultra-thin films at the atomic layer level where the electron system is two-dimensional, but in samples with relatively thick quantum magnetic flux generated in the system是二维（磁场穿透的长度厚度），其中系统中产生的量子通量是二维的。此外，这种量子金属状态已经发现了一个新功能，尽管有限的电阻，但在该特征中，尽管孔电阻和非转录电阻完全为零。这些不仅扩大了这项研究的样本范围，而且在理解量子金属状态和特定模型的状况方面取得了重大进展。将来，人们相信，通过同时研究MOS2和NBSE2样品，可以全面地理解由量子波动所控制的超导性。