【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.28】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1174
利用課題名 / Title
トポロジカル物質における新奇輸送現象と高周波電磁応答に関する研究
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non 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）計測・分析/Advanced Characterization
【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
リソグラフィ/ Lithography,超伝導/ Superconductivity,トポロジカル量子物質/ Topological quantum matter,集束イオンビーム/ Focused ion beam,スパッタリング/ Sputtering,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
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)
芝内 孝禎
所属名 / Affiliation
東京大学新領域創成科学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
三田吉郎
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術相談/Technical Consultation（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、集束イオンビーム（FIB）を用いて、バルク単結晶のトポロジカル物質に対して微細加工を行い、加工した結晶を測定することでトポロジカル物質における非相反輸送現象やトポロジカルホール応答などの起源の解明を試みる。また、スパッタリングやフォトリソグラフィを用いてマイクロ波共振器を作製し、それを用いてトポロジカル超伝導体における高周波電磁応答を測定することで、トポロジカル超伝導体の超伝導状態や発現機構解明を行う。
実験 / Experimental
本研究では、トポロジカル物質における高周波応答の新たな測定手法として、円偏波マイクロ波誘電体共振器及びマイクロ波領域でのホール効果測定方法の開発を行った。以下にその概略を述べる。今回、我々が開発した円偏波マイクロ波誘電体共振器では、ハイブリッドカプラという90°の位相差を付けてマイクロ波が入力ができる素子を搭載したマイクロ波アンテナを用いて、共振器中の直線偏波モードに90°の位相差を付けることで、円偏波モードが生成可能となっている。また、この共振器は入出力のポートを切り替えるだけで右左回りの円偏波の切り替えが可能であり、さらに共振器として誘電体Rutile TiO2を用いることで、電磁場の分布を誘電体中央に集中させ、銅壁でのエネルギー損失を抑え、Q 値(=感度)を向上させた。実際に我々の開発した共振器では磁場下においては105程度の高い Q 値を達成することができた。FIBならびにリソグラフィによる微細加工技術は三田吉郎教授の技術相談を受けた。具体的には、FIBはGqイオンビームであること、加速電圧とビーム電流の可変範囲、物質との相互作用(Gaイオン注入、格子欠陥の発生、スパッタ)について、リソグラフィは、光露光装置の説明、感光材の種類と解像度、感光材を用いたマスクの形成方法、スパッタなどによる成膜方法などの教授を受けた。これらを参考にプロセスフーフローを設計した。
結果と考察 / Results and Discussion
開発した共振器を用いて、円偏波マイクロ波磁場モードに対する応答(円二色性)から、skin depth領域でのホール抵抗を非接触で測定するための原理を新たに考案した。このとき、右/左回りの円偏波モードの周波数及び半値幅の変化量の差から表面インピーダンステンソルの非対角成分ZH を得ることができ、それと対角成分ZLとの比(ZH / ZL)からAC領域でのホール角(tanθ)を求めることができることが明らかになった。そして、実際に極低温下で微小Bi単結晶(~300μm)を用いたテスト測定を行い、DC領域で測定されたホール角とよく一致する結果が得られたことから、この手法の有効性を明らかにすることができた。
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)
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.
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