阪大ら,二次元に閉じ込めた重い電子をはじめて実現

大阪大学,量子科学技術研究開発機構(QST),高エネルギー加速器研究機構(KEK),分子科学研究所,東北大学は,電子間の多体効果である近藤効果により伝導電子の有効質量が増大する重い電子を,原子一層の厚みしか持たない単原子層物質において初めて実現した(ニュースリリース)。

希土類元素を含む化合物では,希土類元素が有する局在的な開殻4f電子により,ネオジム磁石のような強力な永久磁石や,高輝度な蛍光剤などの様々な機能性が現れる。

近藤効果による重い電子もその一つであり,高温超伝導などの特殊な超伝導状態をはじめとする,現在の物性物理学の中心テーマである強相関物性の起源となることが知られている。

一方,近年のナノテクノロジーの発展に伴い,グラフェンに代表される低次元(二次元・一次元)材料研究が活発に行なわれている。これまで,希土類化合物における重い電子は,主に三次元固体物質で盛んに研究されてきた現象だった。そのため,二次元系の極限である原子一枚の厚みしか持たない単原子層物質において,重い電子が実現するかどうかは,これまで明確ではなかった。

研究グループは,原子レベルで平坦な銅(Cu)の上にイッテルビウム(Yb)と銅からなるYbCu2単原子層薄膜の作製に成功した。この薄膜の電子状態を,シンクロトロン光を光源としたARPESによって精密に測定した。その結果,Yb 4fバンドとCuの伝導バンドが観測され,それらが混成して新たなバンド(混成バンド:紫)を形成していることが明らかになった。

さらに,YbCu2単原子層薄膜の温度を変えながらARPES測定を行なった。高温(130K)ではピークの結合エネルギーがゼロから遠く離れているが,温度を下げるにつれて,強度を増しながらゼロに近づくことが確認できた。このピークの振る舞いは近藤効果の発達を表しており,YbCu2単原子層薄膜において重い電子が実現したことを明確に示している。

研究グループはこの成果について,重い電子などの強相関電子系の量子臨界性への次元性の効果に関する研究が進展し,新奇超伝導などの発現機構の解明が進むことが期待できるものだとする。

さらに,グラフェン等を筆頭に近年爆発的に研究が進む原子層物質に,重い電子という新たな機能性を有する物質が仲間入りすることとなり,次世代材料開発や新しいエレクトロニクス素子,量子コンピューター設計開発の指針となるとしている。

その他関連ニュース

  • QSTら,元素比が崩れた結晶で高電子移動度を実証 2024年02月22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
  • 阪大ら,光誘起力顕微鏡で電子の歪を1nm以下で観察 2024年01月24日
  • 広島大ら,電子/スピンを観察する走査型顕微鏡開発 2024年01月12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
  • 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