Research

打田研では、世界的にも卓越した分子線エピタキシー技術を用いてトポロジカル・強相関物質のエピタキシャル薄膜・人工ヘテロ構造を作り上げ、非常にクリーンな系で初めて発現する量子ホール状態・エキゾチック超伝導等の量子輸送の研究を進めています。2021年1月に二台の分子線エピタキシー装置を大岡山に移設し本格的に実験を開始しました。下記では、当研究室における最近の中心的な研究テーマを挙げています。研究室の見学や今後の展開など内容を詳しく聞きたい方は是非一度打田までご連絡下さい。


トポロジカル半金属における量子ホール状態の解明

トポロジカルディラック半金属は、近年の物性物理学の潮流であるトポロジカルに非自明な電子構造をもつ物質の母物質に相当し、特異な量子輸送現象が数多く提案されています。これまでは理論研究が大きく先行してきましたが、理想的なトポロジカルディラック半金属であるカドミウムヒ化物について極めて高品質な薄膜の作製に成功したことで、三次元ディラック分散に起因した新しい輸送状態の研究が可能になりつつあります。電界効果や化学置換等の薄膜技術によりフェルミレベルやスピン軌道相互作用をはじめとするパラメータを系統的に制御した実験を行い、量子ホール効果に代表されるトポロジカル半金属特有の量子輸送状態の解明を進めています。

  • Quantum Hall states observed in thin films of Dirac semimetal Cd3As2
    M. Uchida, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, K. Akiba, M. Kriener, Y. Kozuka, A. Miyake, Y. Taguchi, M. Tokunaga, N. Nagaosa, Y. Tokura, and M. Kawasaki
    Nature Communications 8, 2274 (2017).   Selected for Editors' Highlights

  • Gate-tuned quantum Hall states in Dirac semimetal (Cd1−xZnx)3As2
    S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, M. Kriener, Y. Kozuka, Y. Taguchi, and M. Kawasaki
    Science Advances 4, eaar5668 (2018).

  • Enhancement of spin-orbit coupling in Dirac semimetal Cd3As2 films by Sb-doping
    Y. Nakazawa, M. Uchida, S. Nishihaya, M. Ohno, S. Sato, and M. Kawasaki
    Physical Review B 103, 045109 (2021).


カイラルゼロモード伝導の学理構築

トポロジカル半金属は磁場下においてカイラルゼロモードと呼ばれる特異なバルク電子状態を示し、これがワイル点を通じ表面状態とつながることでこれまでにない伝導状態が固体中で実現すると予測されています。実際に、私達が作製したカドミウムヒ化物薄膜では、トポロジカル半金属の表面状態に由来した伝導とその量子化が観測されており、これまで二次元系で実現されてきた量子ホール伝導がカイラルゼロモードによって表面と裏面がつながった三次元系へと拡張される可能性を示しています。この量子ホール状態の精密測定によりカイラルゼロモードに基づく新たな量子伝導の学理の構築を目指して研究を進めています。

  • Quantized surface transport in topological Dirac semimetal films
    S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, R. Kurihara, K. Akiba, M. Kriener, A. Miyake, Y. Taguchi, M. Tokunaga, and M. Kawasaki
    Nature Communications 10, 2564 (2019).

  • Molecular beam epitaxy of three-dimensionally thick Dirac semimetal Cd3As2 films
    Y. Nakazawa, M. Uchida, S. Nishihaya, S. Sato, A. Nakao, J. Matsuno, and M. Kawasaki
    APL Materials 7, 071109 (2019).   Selected for Featured Article

  • Intrinsic coupling between spatially-separated surface Fermi-arcs in Weyl orbit quantum Hall states
    S. Nishihaya, M. Uchida, Y. Nakazawa, M. Kriener, Y. Taguchi, and M. Kawasaki
    Nature Communications 12, 2572 (2021).


磁性トポロジカル物質の新規開拓

トポロジカル半金属に局在スピンが付与された磁性トポロジカル半金属は、その磁気秩序状態と空間対称性の制御によって新たな磁性トポロジカル相を示す可能性を持っています。このような磁性トポロジカル相については、精密制御可能な薄膜を用いた量子輸送現象の研究が今後特に重要になると考えられます。さらに、薄膜では、エピタキシャル安定化によるバルク結晶では存在しない全く新しいトポロジカル物質の作製や、磁気近接効果による非磁性トポロジカル物質への磁化の誘起も可能になります。これらの薄膜技術を駆使して、新たな磁性トポロジカル物質の開拓と量子輸送状態の解明を進めています。

  • Ferromagnetic state above room temperature in a proximitized topological Dirac semimetal
    M. Uchida, T. Koretsune, S. Sato, M. Kriener, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, Y. Taguchi, R. Arita, and M. Kawasaki
    Physical Review B 100, 245148 (2019).

  • Quantum transport observed in films of the magnetic topological semimetal EuSb2
    M. Ohno, M. Uchida, R. Kurihara, S. Minami, Y. Nakazawa, S. Sato, M. Kriener, M. Hirayama, A. Miyake, Y. Taguchi, R. Arita, M. Tokunaga, and M. Kawasaki
    Physical Review B 103, 165144 (2021).

  • Molecular beam deposition of a new layered pnictide with distorted Sb square nets
    M. Ohno, M. Uchida, Y. Nakazawa, S. Sato, M. Kriener, A. Miyake, M. Tokunaga, Y. Taguchi, and M. Kawasaki
    APL Materials 9, 051107 (2021).   Selected for Featured Article, Featured in Scilight


エキゾチック超伝導体の薄膜接合研究

マヨラナ準粒子をもつトポロジカル超伝導体のように多成分の秩序変数からなるエキゾチック超伝導体は物性物理学の魅力的な研究対象ですが、転移温度が低く不純物に敏感なため、比熱・熱伝導・核磁気共鳴等の多様なプローブと比較して薄膜接合を用いた実験は大きく立ち遅れてきました。層状ペロブスカイト型ルテニウム酸化物はいまだ超伝導対称性が明らかになっていない超伝導体の代表物質ですが、対称性の決定には接合実験が重要と考えられています。難度の高い酸化物分子線エピタキシー成長の技術を磨くことでこれまで不可能と考えられていた超伝導薄膜の作製に世界で初めて成功し、薄膜接合の位相敏感測定による対称性の研究を進めています。

  • Molecular beam epitaxy growth of superconducting Sr2RuO4 films
    M. Uchida, M. Ide, H. Watanabe, K. S. Takahashi, Y. Tokura, and M. Kawasaki
    APL Materials 5, 106108 (2017).

  • Anomalous enhancement of upper critical field in Sr2RuO4 thin films
    M. Uchida, M. Ide, M. Kawamura, K. S. Takahashi, Y. Kozuka, Y. Tokura, and M. Kawasaki
    Physical Review B 99, 161111(R) (2019).

  • Characterization of Sr2RuO4 Josephson junctions made of epitaxial films
    M. Uchida, I. Sakuraba, M. Kawamura, M. Ide, K. S. Takahashi, Y. Tokura, and M. Kawasaki
    Physical Review B 101, 035107 (2020).


量子輸送測定による強相関トポロジカル相の解明

電子相関とスピン軌道相互作用の強さに依存して発現する強相関トポロジカル相は、今後の進展が特に期待される研究領域です。強いスピン軌道相互作用をもつイリジウム・ルテニウム酸化物を中心に様々な興味深いトポロジカル相がこれまでに提案されていますが、実験による理解はまだ追いついていません。一方で、イリジウムやルテニウムに代表される高融点原料を用いた酸化物分子線エピタキシー成長の技術は近年大きく向上しています。この技術を用いて強相関酸化物の高品質なエピタキシャル薄膜及び人工ヘテロ構造を設計・作製し、その量子輸送状態の測定による強相関トポロジカル相の解明を進めています。

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