東北大,高温超伝導体でディラック電子を発見

東北大学の研究グループは,原子層鉄系高温超伝導体において,質量ゼロの性質を持つ「ディラック電子」を発見した(ニュースリリース)。

最近大きな話題となっている原子層薄膜の一つに,鉄系超伝導体の一種である鉄セレン(FeSe)がある。バルクのFeSeは−265℃で超伝導となることが知られていたが,それを極限(原子3個分の厚さ)まで薄くすることで,液体窒素温度(−196℃)以上での高温超伝導の可能性が報告された。しかし,高品質のFeSe原子層薄膜を作製することは難しく,超伝導以外の性質についてはほとんど明らかになっていなかった。

今回,研究グループは,分子線エピタキシー法を用いて,酸化物の基板上に原子レベルで制御された高品質な1層のFeSe薄膜を作製した。また,作製した薄膜を超高真空中において精密な温度制御下で加熱することで,高温加熱の場合は高温超伝導が起きる薄膜,低温加熱の場合は超伝導が起きない薄膜と,性質の全く異なるFeSe原子層薄膜を作り分けることに初めて成功した。

その薄膜の電子状態を角度分解光電子分光で調べた結果,低温加熱によって得られた超伝導を示さない薄膜において,質量ゼロのディラック電子が存在することを明らかにした。また,2〜20層の多層膜についても同様の測定を行なった結果,ディラック電子のみが伝導を担う理想的なディラック電子系は,1層の原子層薄膜でのみ実現していることを突き止めた。

すなわち,理想的なディラック電子系の実現は,原子層薄膜ならではの性質と言える。今回の研究によって,FeSe原子層薄膜は,高温超伝導のみならず,グラフェンと類似のディラック電子系としての性質も持つことが明らかになった。また,これら2つの全く異なる性質を,加熱温度を変えるという極めて簡便な手法で切り替えられることも見出した。

今回の研究は,「高温超伝導」と「ディラック電子」という全く異なる性質を,同じプラットフォームで実現できることを実験的に確立したもの。将来的には,超高速・超伝導ナノデバイスなどへの応用展開が期待される。また,高温超伝導の起源を解明するためには,電子状態を理解することが重要。今後,ディラック電子の有無と高温超伝導発現の関係を明らかにすることで,高温超伝導を説明するモデルの選別が期待できるとしている。

その他関連ニュース

  • NIMSら,層状化合物に未実証の電荷密度波分布発見 2024年02月27日
  • 産総研ら,紫外線で粘着力が低下する転写テープ開発 2024年02月13日
  • 東大,極性単結晶薄膜を塗布形成できる有機半導体開発 2024年01月30日
  • 東大,2次元半導体の単層を基板上へ単離 2024年01月11日
  • 理研ら,ナノ半導体界面でエネルギー共鳴現象を発見 2023年12月15日
  • 阪大ら,二次元に閉じ込めた重い電子をはじめて実現 2023年12月05日
  • 神大ら,透明な原子一層分の膜を光学顕微鏡で観察 2023年11月01日
  • 東北大ら,1T構造を持つMoTe2原子層の作製に成功 2023年10月25日