低温物質科学実験室は極低温科学センター低温科学部の建屋内にある金研の研究室です

研究内容

近年、超伝導現象、金属（超伝導）−絶縁体転移、重い電子状態など、低温における電子系の特異な振る舞いが固体物性研究における興味の対象となってきています。 これらの現象の解明と応用は将来への科学技術の発展にもつながると考えられています。

当研究グループでは、低温においてその特性が顕著に現れる、超伝導体（銅酸化物および鉄ニクタイト高温超伝導体や金属超伝導体）と強い相関を持つ電子系 （遷移金属酸化物、希土類化合物、強磁性グラニュラー膜）を対象とした物性研究を行っています。 これらの物質の示す特異な物理現象を解明することに加え、その性質を応用しながら通常では存在し得ないような人工的変調をもった物質を開発し、 新しい物理現象や基底状態を探索することが最終目標です。

この目標を達成するため、薄膜、多層膜、単結晶およびそれらをデバイス化した試料を用い、低温（数10mK -　300K）・磁場中（0 - 14T)での特性を調べています。 また、極低温領域で働く新しい実験装置の開発も行っています。

以下のようなテーマが進行中です。

電界誘起超伝導の超伝導現象解明とスピン状態の制御

電気二重層トランジスタ構造を用いて、本来なら絶縁体や常伝導金属である物質を電界効果のみで超伝導体に変換することにチャレンジしています。 新たな超伝導の特性解明に加え、試料にかかる強い電場（空間反転対称性の破れ）に起因するスピン−軌道相互作用を用いて系のスピン状態を変調し、 新しい超伝導特性や磁気特性を実現させることを目指しています。

電気化学的手法を用いた超伝導薄膜の物性制御と新奇超伝導体の探索

電気二重層トランジスタの持つ機能のもう一つの側面である電気化学的反応 （酸化還元やエッチング）を精密に制御することにより超伝導特性を人工的に変化さ、新しい超伝導状態を探索しています。例えば銅酸化物高温超伝導体はモット絶縁体 と言われる電気を流さない物質にホール（p型キャリア）か電子（n型キャリア）を導入することで実現されますが、両方のキャリアドープで超伝導になる物質は まだ見つかっていません。 電気化学的還元という低温環境下での物質制御方法を用いて、p型とn型の両方において超伝導になる銅酸化物を探索し、 超伝導機構解明の手掛かりをつかもうとしています。また鉄系超伝導体FeSeは単原子層でのみ高温超伝導体になると考えられてきましたが、電気化学的エッチング により一つの薄膜の厚さを段階的にかえながら、実際の超伝導になる厚さの極限値を調べることができるようになっています。

超伝導トンネル接合を用いた電子状態の理解とスピン注入

超伝導体を常伝導金属を接合した系では、トンネル効果により、超伝導電子状態（電子状態密度状態や超伝導ギャップエネルギー）の観測が可能です。 また常伝導金属を強磁性体に置き換えて、トンネル接合を通して両者の間に電流を流すと、強磁性体からのスピン配向電流により超伝導体中の電子スピン密度が アンバランスとなった新たな非平衡超伝導状態も起こります。
　様々な超伝導トンネル接合系を作製して、超伝導体中に起る特殊な電子・スピン状態を実現し、その特性を調べています。

高温超伝導体の渦糸状態の研究

銅酸化物、二ホウ化マグネシウム、鉄砒素系化合物といった高温超伝導体では、大きな熱ゆらぎ効果やマルチバンド（複数の超伝導ギャップ）の効果により、 従来型の超伝導体には顕著にされなかった渦糸状態（磁場中超伝導状態）が観測されます。磁気トルクや磁化、磁気抵抗という測定手段で、 その特性解明を行っています。

様々な超伝導薄膜の超伝導特性

銅酸化物高温超伝導体、従来型超伝導体をはじめとする様々な超伝導体の薄膜化を行い、その特性調べています。 特に系の２次元化やそれに伴う局所的空間反転対称性の破れによって現れる超伝導転移温度や臨界磁場の変化を調べます。

極低温磁化測定装置の開発

³He冷凍機、ファラデー天秤、磁場勾配型超伝導磁石を組み合わせた磁化測定装置の開発を行っています。これにより300 mKまでの温度域での超伝導体、 磁性体の磁化測定がを行えるようになります。

希土類化合物の極低温物性の研究

(Ce,La)B₆等にみられる多重極子秩序と近藤効果の共存状態に対し、La希釈といった手法によってできる新しい磁気相の研究を、 極低温下での比熱、超音波、電気伝導の測定により行っています。

グラニュラー強磁性体膜の磁気特性の研究

絶縁体の媒体中に強磁性体のナノ金属粒子が散在するFe-Al-O、Co-Al-O 等のグラニュラー 膜を用いて、ナノ粒子間の磁気的相互作用により発現する強相関効果を研究しています。