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高品質分子線エピタキシー薄膜成長による量子物性
ペロブスカイト型酸化物（ABO3 ）は、遷移金属酸化物の典型的な構造の１つです。強磁性、超伝導などの様々な特性を示し、化学的に安定なために非常に綺麗な結晶の成長が可能です。たとえば、SrTiO3 は常磁性バンド絶縁体ですが、AサイトをEuに置換したEuTiO3 は反強磁性バンド絶縁体、そして遷移金属のBサイトをバナジウムVに置換したSrVO3 は常磁性金属です。我々はこのペロブスカイト型酸化物を中心に薄膜やヘテロ構造、超格子を作製しその物性を研究しています。
人工二次元モット絶縁体の制御
電子相関の強い金属のSrVO3 は二次元構造（量子井戸・超薄膜）では、モット絶縁体に転移します。本研究では、SrVO3人工量子井戸構造を作製しこの二次元モット絶縁体相から超伝導の発現を目指すことや、外場による絶縁体金属転移の研究を進めています。
Metal-insulator transitions in dimensionality controlled LaxSr1-xVO3 films
K. S. Takahashi, Y. Tokura, and M. Kawasaki, APL Materials 10, 111114 (2022).
Metal-insulator transitions in strained single quantum wells of Sr1-xLaxVO3
K. S. Takahashi, J. Iguchi, Y. Tokura, and M. Kawasaki, Physical Review B 109,035158 (2024)
磁性体中の量子伝導研究
通常の磁性半導体は、磁性を担う磁性不純物が伝導電子の散乱体になってしまって電子移動度の高い磁性半導体はほとんどありません。本研究では、酸化物の磁性半導体EuTiO3に注目しました。ガスソース分子線エピタキシーにより成長したEuTiO3のEuを少量Laに置換することで電子をドープすると、低温で電子移動度が3000 cm2V-1s-1 に到達することが分かりました。左図はその薄膜の抵抗率の磁場依存性です。3Tで反強磁性から強磁性に転移し、さらに磁場をかけるとシュブニコフドハース振動と呼ばれる磁気抵抗振動が明瞭に観察できています。この伝導電子は実は100%スピン偏極しておりその振動周期は第一原理計算とよく一致することが分かりました。
Anomalous Hall effect derived from multiple Weyl nodes in high-mobility EuTiO3 films
K. S. Takahashi, H. Ishizuka, T. Murata, Q. Y. Wang, Y. Tokura, N. Nagaosa, M. Kawasaki, Science Advances 4, eaar7880 (2018) .
Anisotropic Quantum Transport through a Single Spin Channel in the Magnetic Semiconductor EuTiO3
K. Maruhashi, K. S. Takahashi, M. S. Bahramy, S. Shimizu, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, Y. Tokura, and M. Kawasaki, Advanced Materials 32, 1908315 (2020).
超低抵抗率薄膜のバリスティック伝導研究
固体中での伝導電子の散乱がないと、電子が弾道的（バリスティック: ビリヤードの球のように）に動きます。SrVO3薄膜の厚膜（厚さ50 nm程度）をガスソース分子線エピタキシーで作ると、低温で抵抗率が0.1 μΩcm程度と非常に低いために平均自由行程は1 μm以上になることを発見しました。つまり、膜厚方向に進む電子は膜の結晶中で一度も散乱せずに表面と界面だけで散乱される状態になっているはずです。純金属のアルミニウムなどの抵抗率の低い金属薄膜でも同じような状態は実現できているはずですが、純金属薄膜の成長は島状成長であり薄膜の界面や表面は数nm以上の凹凸を避けられないため、酸化物薄膜のような原子レベルで平坦な界面は存在しません。従って、これまでは、低抵抗率薄膜の界面での散乱に関する研究は殆どありませんでした。本研究では、バリスティック伝導状態の磁場中での界面散乱について研究を進めています。
酸化物薄膜の超伝導研究
新たに超伝導の研究に着手しようと計画しています。酸化物薄膜成長の基本物質であるSrTiO3も超伝導で、それに似た量子常誘電体KTaO3も超伝導転移することが明らかになり注目されています。本研究ではこれらの周辺に鉱脈があると期待して研究を進めます。
Local switching of two-dimensional superconductivity using the ferroelectric field effect
K. S. Takahashi, M. Gabay, D. Jaccard, K. Shibuya, T. Ohnishi, M. Lippmaa, and J.-M. Triscone, Nature 441, 195 (2006).
Electrostatic modulation of the electronic properties of Nb-doped SrTiO3 superconducting films
K. S. Takahashi, D. Matthey, D. Jaccard, J.-M. Triscone, K. Shibuya, T. Ohnishi, and M. Lippmaa, Appl. Phys. Lett. 84, 1722 (2004).
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