【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.24】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24BA0035

利用課題名 / Title

メゾスコピック原子層超伝導体の電気伝導測定試料の作製

利用した実施機関 / Support Institute

筑波大学 / Tsukuba Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子線リソグラフィ/ EB lithography,超伝導/ Superconductivity

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

神田 晶申

所属名 / Affiliation

筑波大学数理物質科学研究群

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

千葉一輝,梁昊昀

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

BA-005：電子線描画装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

原子層物質でできたメゾスコピック超伝導体の物性を明らかにし、量子デバイス・電子デバイスへの応用の可能性を探るために、電子線描画装置等の微細加工装置を使用して電気伝導測定用の試料を作製し、希釈冷凍機を用いた極低温で電気伝導の精密測定を行った。
特に、今回の実験では原子層超伝導体における量子金属状態に着目した。原子層超伝導体では、磁場中で電気抵抗が温度に依存しない一定値をとる量子金属状態が注目を集めているが、その起源は明らかではない。昨年までの我々の研究で、ノイズ対策を施した希釈冷凍機を用いて層状超伝導体2セレン化ニオブ(NbSe₂)の2層膜についての磁場温度相図を作成し、①先行研究と比較して量子金属的振る舞いの見られる領域(QM領域)が狭くなり高磁場極低温の狭い範囲に限定されること、②擬似ノイズとして交流電圧を印加するとQM領域が拡大することを見出した。そこで本研究では、測定系のノイズを極限まで削減した環境において、量子金属状態がどうなるかを明らかにし、量子金属状態の起源に迫ることを目的とした。

実験 / Experimental

スコッチテープによる劈開で得た、厚さ9.4 nmのhBNと4層のNbSe₂、3層のMoS₂を使用し、グローブボックス内でSi/SiO₂基板上に積層構造を形成した。その後、電子線リソグラフィーとリフトオフによりTi/Au電極を接続し、反応性イオンエッチングを用いて形状を加工して4端子電気伝導測定用の試料を作製した。この試料を希釈冷凍機で冷却し、電気伝導測定を行った。試料の電流電圧特性(IV特性)の原点付近の傾きから抵抗値を算出した。
希釈冷凍機の測定系のノイズをスペクトルアナライザを用いて評価し、ノイズを極限まで低減する条件を出すことで、ノイズの有無による電気伝導の違いを評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

今回の試料においても、低温磁場中で量子金属状態を観測し、ノイズ低減前後で電気伝導特性が変化することを見出した。例えば、垂直磁場3.8 Tでは、ノイズ低減により抵抗値は0.15 Kで15 Ω から12Ω まで3 Ω程度減少した。希釈冷凍機に接続された温度コントローラ等を外すとさらに抵抗値が減少したことから、ノイズ低減後もノイズは残っており、真の抵抗値はさらに低いと考えられる。ただし、その場合においても量子金属的な振る舞いが完全に消失するとの確証は得られなかった。
磁場中低温におけるIV特性は非線形となった。抵抗はゼロ電流付近のIV特性から算出しているので、その値は抵抗算出の電流範囲が広いほど大きくなることがわかった。実際、抵抗算出のための電流範囲の増加に伴い、相図上で見かけの量子金属状態の領域が拡大するという結果を得た。これは、原子層超伝導体においては断面積に比例して臨界電流が非常に小さいことにより、微小な測定電流でも超伝導が壊れ、正確なゼロバイアス抵抗が得られず、たとえゼロバイアスでは超伝導であったとしても測定値としてはゼロでない金属的な抵抗値が観測されたと考察される。すなわち、抵抗はバイアス電流の影響を受けやすく、相図の量子金属状態の領域はバイアス電流に依存した結果となることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

本研究で用いたhBN結晶は、NIMSの谷口尚博士、渡邊賢司博士から提供されました。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 千葉一輝，林正彦, 渡邊賢司，谷口尚，神田晶申，「原子層超伝導体NbSe_2_における量子金属的振る舞いの起源」，日本物理学会2025年春季大会，令和7年3月19日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件