Uchida Lab

Research

打田研究室では、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、異常ホール応答・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。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。

• 卒研生は東京科学大学理学院物理学系において受け入れを行っています。例年1月に研究室説明会、2-3月に研究室訪問が予定されています(2025年は2/12(水)・2/18(火)・2/19(水))。大学院生として配属を希望される方は、同じく東京科学大学理学院物理学系の大学院入学試験を受験して下さい。博士課程からの入学も歓迎します。例年3-5月に大学院説明会並びに研究室訪問が予定されています(2025年は3/7(金)・5/10(土))。試験の詳しい内容については、入試案内を参照して下さい。上記の日程以外にも、メールによる問い合わせを随時受け付けています。

• 博士研究員として当研究室での研究に興味を持たれた方は、まずはメールにてご相談下さい。日本学術振興会特別研究員等のフェローシップを利用した受け入れが可能です。

非対角輸送応答の開拓と解明

これまでホール効果は、磁場あるいは磁化の面直成分に比例すると考えられてきました。これは、磁場ないし磁化に対して対角かつ線形な輸送応答です。一方で、私達は最近、面内磁場によって誘起される異常ホール効果の観測に成功しました。この現象では、スピン磁化とは独立に、軌道磁化と呼ばれる量子幾何学量の一種がスピン軌道相互作用を通じて顕在化しており、磁場とホール抵抗率ベクトルの間における新しい非対角輸送応答が実現しています。このような面内異常ホール効果の発見を端緒として、対称性に立脚した材料探索と定量化に向けた実験を展開し、非対角輸送応答の新規開拓とその体系的解明を目指しています。

量子幾何学が支配する磁気輸送現象の解明

小さなフェルミ面を持つ半金属では、ベリー曲率に代表される量子幾何学効果が輸送特性を支配的に特徴づけることが期待されます。特に、このような半金属の中でも磁性を持つトポロジカルワイル半金属の高品質薄膜作製に成功したことで、量子幾何学効果がホール抵抗のみならず磁気抵抗を含む多様な磁気輸送現象に現れることが実験的に明らかになってきています。また、磁性を持たない半金属においても、磁場方位に応じて変化する成分に着目することで量子幾何学効果を系統的に調べられることがわかってきており、新たな磁気輸送応答の学理構築に向けた研究を展開しています。

薄膜化による超伝導の実現と対称性の評価

バルク結晶においては通常の金属または絶縁体として振る舞う物質であっても、基板からの巨大なエピタキシャル歪みや電界効果によるドーピングを通じて、薄膜にすることで初めて超伝導が発現する場合があります。ルチル型ルテニウム酸化物は、近年このような薄膜化によって超伝導を示すことが発見された物質であり、磁気秩序の有無やスピントロニクス機能との関連からも注目を集めています。巨大なエピタキシャル歪みは電子やフォノンのバンド構造を大きく変化させる可能性もあり、それらの変化に着目して超伝導対称性の研究を進めています。

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位置づけられ、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の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となりました。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等のパラメータを精密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。

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、これがワイル点を介して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理論的に予測されています。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ていることを示しています。この量子ホール状態の精密測定を通じて、カイラルゼロモードに基づく新たな量子伝導の学理構築を目指して研究を進めています。

磁性トポロジカル物質の新規開拓

磁気秩序によってトポロジカルな電子状態が実現する磁性トポロジカル物質は、その秩序状態と対称性の制御を通じ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の理解には、磁気秩序状態やキャリア濃度を制御可能な薄膜を用いた磁気輸送現象の研究が、今後特に重要になると考えられます。さらに、基板によるエピタキシャル安定化を活用することで、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創製も可能です。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磁気輸送状態の解明を進めています。

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、非従来型の超伝導対称性を有す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。一方で、一般に超伝導転移温度が低く不純物にも敏感なため、比熱や核磁気共鳴等のバルクを対象とした従来の実験手法に比べ、薄膜接合を用いた研究は長らく困難とされてきました。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確定していない代表的な物質ですが、対称性の決定には位相に敏感な接合実験が重要であると考えられています。酸化物分子線エピタキシー成長技術を磨き上げることで、これまで実現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、薄膜接合を用いた超伝導対称性の解明に取り組んでいます。

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協奏によって生じ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有するイリジウム酸化物・ルテニウム酸化物を中心として、数多くの興味深いトポロジカル相がこれまでに理論的に提案されてきましたが、その実験的理解は依然として十分とは言えません。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対象とした酸化物分子線エピタキシー成長の技術は、近年飛躍的に向上しています。この技術を基盤として、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精密測定を通じて強相関トポロジカル相の理解を深化させています。