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ファンデルワールス超構造の物質科学

天然に存在する物質はすべて三次元的な構造を有していますが、そのような三次元固体の一層分を取り出すと、もともとの物質とはまったく異なる性質を示すことがあります。例えばグラフェンは、鉛筆の芯に用いられるグラファイトを一層だけ取り出した炭素の二次元シートですが、ディラックコーンと呼ばれる特徴的な電子構造を持ち、グラファイトにはない、極めて特異な性質を示すことがよく知られています。このように、一層だけ取り出したときに元々の三次元固体とはまるで異なる性質を示す物質は他にもたくさん存在し、『二元物質』と総称されています。二次元物質は、それ単体でも非常に興味深い研究対象で、グラフェンの登場以降、世界中で精力的に研究が行われていますが、最近では様々な二次元物質を様々なパターンで集積化させた『ファンデルワールス超構造』を設計・構築し、単一の物質では得られない物性や機能を実現しようという流れが世界中で爆発的に拡がっています。本研究では、我々が独自に開発してきた超高真空中でのファンデルワールスエピタキシー技術を基軸として、従来法では作製が困難な二次元物質の創出と、それらを様々なパターンで集積化させたファンデルワールス超構造の構築を実現し、そのような人工超構造においてのみ発現する新奇物性や革新機能を開拓することを目指しています。

代表論文

- H. Matsuoka, S. Kajihara, T. Nomoto, Y. Wang, M. Hirayama, R. Arita, Y. Iwasa*, M. Nakano*
  "Band-driven switching of magnetism in a van der Waals magnetic semimetal"
  Science Advances 10, eadk1415 (2024). (arXiv:2304.11890)
- Y. Wang, S. Kajihara, H. Matsuoka, B. K. Saika, K. Yamagami, Y. Takeda, H. Wadati, K. Ishizaka, Y. Iwasa, M. Nakano*
  "Layer-number-independent two-dimensional ferromagnetism in Cr3Te4"
  Nano Letters 22, 9964-9971 (2022).
- H. Matsuoka, T. Habe, Y. Iwasa, M. Koshino, M. Nakano*
  "Spontaneous spin-valley polarization in NbSe2 at a van der Waals interface"
  Nature Communications 13, 5129 (2022). (arXiv:2208.13150)
- H. Matsuoka, S. E. Barnes, J. Ieda, S. Maekawa, M. S. Bahramy, B. K. Saika, Y. Takeda, H. Wadati, Y. Wang, S. Yoshida, K. Ishizaka, Y. Iwasa, M. Nakano*
  "Spin–orbit-induced Ising ferromagnetism at a van der Waals interface"
  Nano Letters 21, 1807-1814 (2021).
- H. Matsuoka, M. Nakano*, T. Shitaokoshi, T. Ouchi, Y. Wang, Y. Kashiwabara, S. Yoshida, K. Ishizaka, M. Kawasaki, Y. Kohama, T. Nojima, Y. Iwasa
  "Angle dependence of Hc2 with crossover between the orbital and paramagnetic limits"
  Physical Review Research 2, 012064(R) (2020).
- Y. Tanaka, H. Matsuoka, M. Nakano*, Y. Wang, S. Sasakura, K. Kobayashi, Y. Iwasa
  "Superconducting 3R‑Ta1+xSe2 with giant in-plane upper critical fields"
  Nano Letters 20, 1725-1730 (2020).
- M. Nakano*, Y. Wang, S. Yoshida, H. Matsuoka, Y. Majima, K. Ikeda, Y. Hirata, Y. Takeda, H. Wadati, Y. Kohama, Y. Ohigashi, M. Sakano, K. Ishizaka, Y. Iwasa
  "Intrinsic 2D ferromagnetism in V5Se8 epitaxial thin films"
  Nano Letters 19, 8806-8810 (2019). (arXiv:1910.01959)
- Y. Kashiwabara, M. Nakano*, Y. Nakagawa, Y. Wang, H. Matsuoka, Y. Iwasa
  "Electrical conduction at the interface between insulating van der Waals materials"
  Advanced Functional Materials 29, 1900354 (2019).
- Y. Wang, M. Nakano*, Y. Kashiwabara, H. Matsuoka, Y. Iwasa
  "Transport properties of a few nanometer-thick TiSe2 films grown by molecular-beam epitaxy"
  Applied Physics Letters 113, 073101 (2018).
- M. Nakano*, Y. Wang, Y. Kashiwabara, H. Matsuoka, Y. Iwasa
  "Layer-by-layer epitaxial growth of scalable WSe2 on sapphire by molecular-beam epitaxy"
  Nano Letters 17, 5595-5599 (2017). (arXiv:1709.02912)

強相関絶縁体における電場誘起モット転移

従来の固体物理学は、固体中に存在する電子をお互い独立に振る舞うものとして取り扱うことで、様々な物理現象を説明することに成功してきました。しかし物質の中には電子同士の相互作用を無視できないものがあり、バンド理論では金属と予想される場合でも、実際には電子同士のクーロン反発によって絶縁体になることがあります。そのような物質は『強相関絶縁体（モット絶縁体）』と総称されていますが、この強相関絶縁体状態は絶妙なバランスのもとに成り立っており、何らかの方法でそのバランスを崩すと、高温超伝導や超巨大磁気抵抗など、従来の常識を覆すような極めてユニークな物性が発現することがよく知られています。このような電子状態の急激な変化は『電子相転移』と呼ばれ、特に銅酸化物における高温超伝導の発見以降は、物性研究における中心課題の一つに位置付けられています。本研究では、薄膜エピタキシー技術を駆使して作製した様々な強相関絶縁体を用いて、イオン液体などの電解液を利用した電界効果デバイスを作製し、電子相転移（モット転移）の外部電圧によるスイッチングの実現を目指した研究に取り組んでいます。

代表論文

- H. Matsuoka, M. Nakano*, M. Uchida, M. Kawasaki, Y. Iwasa
  "Signatures of charge-order correlations in transport properties of electron-doped cuprate superconductors"
  Physical Review B 98, 144506 (2018). (arXiv:1809.07469)
- S. Z. Bisri*, S. Shimizu, M. Nakano, Y. Iwasa*
  "Endeavor of iontronics: from fundamentals to applications of ion-controlled electronics"
  Advanced Materials 29, 1607054 (2017).
- T. Hatano*, Y. Ogimoto, N. Ogawa, M. Nakano, S. Ono, Y. Tomioka, K. Miyano, Y. Iwasa*, Y. Tokura
  "Gate control of electronic phases in a quarter-filled manganite"
  Scientific Reports 3, 2904 (2013).
- H. M. Yamamoto*, M. Nakano, M. Suda, Y. Iwasa, M. Kawasaki, R. Kato
  "A strained organic field-effect transistor with a gate-tunable superconducting channel"
  Nature Communications 4, 2379 (2013). (arXiv:1309.0344)
- M. Nakano*, K. Shibuya, D. Okuyama, T. Hatano, S. Ono, M. Kawasaki, Y. Iwasa*, Y. Tokura
  "Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation"
  Nature 487, 459-462 (2012).

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