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(*: equal contribution  : corresponding author)

代表論文

Quantum phase transitions in highly crystalline two-dimensional superconductors
Y. Saito†, T. Nojima and Y. Iwasa
Nature Communications 9, 778 (2018).
電界誘起2次元超伝導において、量子金属から弱局在金属への転移を調べた結果、従来型の2次元超伝導体のように電気抵抗-磁場のカーブが1点で交わることはなく、多数の交点で交わっていることを発見しました。このような領域では、低温・高磁場に向けて動的臨界指数zが発散的に増大しており、これは量子揺らぎとdisorderのrandomnessに起因する超伝導アイランドがrare regionとして存在する量子Griffiths状態の存在を示唆してます。これらの結果をもとにピニングの小さい高結晶性2次元超伝導体の包括的な磁場温度相図を構築しました。

Nature Communications の Condensed-Matter Physics のMonthly Editor’s Highlightに選ばれました。(2018年4月)
科学新聞 2018年3月9日号に取り上げられました。
EE Times Japanに取り上げられました。

Nonreciprocal charge transport in noncentrosymmetric superconductors
R. Wakatsuki*, Y. Saito*(co-first), S. Hoshino, Y. M. Itahashi, T. Ideue, M. Ezawa, Y. Iwasa and N. Nagaosa
Science Advances 3, e1602390 (2017).
反転対称性の破れた超伝導体における非相反電荷輸送現象(電気抵抗が電流を流す方向によって変わる現象)を2次元物質の一種であるMoS2における電界誘起2次元超伝導を用いて実験的・理論的に実証しました。さらに、超伝導状態の非相反の信号の大きさが常伝導状態に比べて数桁大きい値になることを発見しました。
RIKEN Research “An uneven resistance” (Link)
UTokyo Research “Seeking out new functions for superconducting nanoelectronics” (Link)
マイナビニュース日本経済新聞exiteニュースに取り上げられました。
UTokyo Research “Seeking out new functions for superconducting nanoelectronics” (Link)

Highly crystalline 2D superconductors
Y. Saito, T. Nojima, and Y. Iwasa
Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016).
近年、様々な手法(Layer-by-Layerの分子線エピタキシー法、機械的剥離法、電界効果など)で次々と実現している新しい2次元超伝導体は、2000年代以前に盛んに研究されてきたアモルファスの超伝導薄膜に比べて結晶性が極めて高いという共通の性質を持っています。このレビュー論文では、そうした新しい2次元超伝導体を初めて「高結晶性2次元超伝導体」と分類し、特有の量子相と従来型のアモルファス2次元超伝導では散乱の影響で観測されなかった結晶構造の反転対称性の破れ起因するintrinsicな現象をレビューしました。

 

Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS2
Y. Saito, Y. Nakamura, M. S. Bahramy, Y. Kohama, J. T. Ye, Y. Kasahara, Y. Nakagawa, M. Onga, M. Tokunaga, T. Nojima, Y. Yanase and Y. Iwasa
Nature Physics 12, 144ー149 (2016).   (arXiv:1506.04146)
55T-パルス強磁場を用いて単結晶MoS2表面の電界誘起超伝導の面内の上部臨界磁場を測定し、1.5Kにおいて通常のパウリ限界の4倍に相当する52テスラまで上昇することを発見しました。さらに第一原理計算によるバンド構造を取り入れた上部臨界磁場の数値計算と比較することでこの上部臨界磁場の異常な増強が、結晶構造の面内対称性の破れとスピン軌道相互作用に基づくspin-valley lockingによって面直方向にロックされたバレー間クーパー対(Ising超伝導)によるものであることを解明しました。

Perspective “Opening the gate on superconductivity” Science 350, 13161317 (2015).
News and Views “Two-dimensional superconductivity: The Ising on the monolayer” Nature Physics 12, 112113 (2016).
UTokyo Research “2D superconductor surviving in high magnetic fields over 50 Tesla” (Link)
Highlighted in Superconductor Week as “Tokyo Observes MoS2 SC in a High Magnetic Field”, Voume30, Page.8
マイナビニュース日経バイオテクOnlineexiteニュースに取り上げられました。

Metallic ground state in an ion-gated two-dimensional superconductor
Y. Saito, Y. Kasahara, J. T. Ye, Y. Iwasa and T. Nojima
Science 350, 409413 (2015).   (arXiv:1511.03266)
ZrNCl単結晶表面の電界誘起超伝導が2次元超伝導体であることを磁気抵抗の角度依存性から示し、その表面の超伝導の有効的な厚さが1ユニットセルよりも薄い約1.8nm程度であることを発見しました。また、超伝導相図(転移温度 vs キャリア密度)がバルクのものとは異なりドーム型になっていることを見つけました。さらに弱磁場印加下において低温で抵抗のフラットニング(量子金属状態)が観測され、これが結晶性が高く、ピニング力が極めて弱いことで起こる磁束の量子トンネリング(量子クリープ)で説明できることが明らかになりました。

UTokyo Research “The ultimate 2D superconductor” (Link)
Highlighted in Asian Scientist as “A Minimally Disordered 2D Superconductor” (Link)

Ambipolar insulator-to-metal transition in black phosphorus by ionic-liquid gating
Y. Saito and Y. Iwasa
ACS Nano 9, 31923198 (2015).   (arXiv:1505.04859)
2次元物質の一種である黒リンの単結晶壁開膜を用いて電気二重層トランジスタを作成し、両極性動作を観測し、電界とキャリア密度や移動度などの関係を詳細に明らかにしました。さらに電子ドープ、ホールドープそれぞれに対して初めて絶縁体から金属状態まで制御することに成功しました。

 

レビュー論文

  1. Highly crystalline 2D superconductors
    Y. Saito, T. Nojima, Y. Iwasa
    Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016).
  2. Gate-induced superconductivity in two-dimensional atomic crystals
    Y. Saito, T. Nojima, Y. Iwasa
    Superconductor Science and Technology (SUST) 29, 093001 (2016).

 

原著論文

  1. Quantum phase transitions in highly crystalline two-dimensional superconductors
    Y. Saito†, T. Nojima and Y. Iwasa
    Nature Communications 9, 778 (2018).
    Nature Communications の Condensed-Matter Physics のMonthly Editor’s Highlightに選ばれました。(2018年4月)
    科学新聞 2018年3月9日号に取り上げられました。
    EE Times Japanに取り上げられました。
  2. Nonreciprocal charge transport in noncentrosymmetric superconductors
    R. Wakatsuki*, Y. Saito*, S. Hoshino, Y. M. Itahashi, T. Ideue, M. Ezawa, Y. Iwasa and N. Nagaosa
    Science Advances 3, e1602390 (2017).
    RIKEN Research “An uneven resistance” (Link)
    UTokyo Research “Seeking out new functions for superconducting nanoelectronics” (Link)
    マイナビニュース日本経済新聞exiteニュースに取り上げられました。
  3. Gate-tuned thermoelectric power in black phosphorus
    Y. Saito*, T. Iizuka*, T. Koretsune, R. Arita, S. Shimizu and Y. Iwasa
    Nano Letters 16, 48194824 (2016).
  4. Gate-optimized thermoelectric power factor in ultrathin WSe2 single crystals
    M. Yoshida, T. Iizuka, Y. Saito, M. Onga, R. Suzuki, Y. J. Zhang, Y. Iwasa and S. Shimizu
    Nano Letters 16, 20612065 (2016).
  5. Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS2
    Y. Saito, Y. Nakamura, M. S. Bahramy, Y. Kohama, J. T. Ye, Y. Kasahara, Y. Nakagawa, M. Onga, M. Tokunaga, T. Nojima, Y. Yanase and Y. Iwasa
    Nature Physics 12, 144-149 (2016).   (arXiv:1506.04146)
    See also
    Perspective “Opening the gate on superconductivity” Science 350, 13161317 (2015).
    News and Views “Two-dimensional superconductivity: The Ising on the monolayer” Nature Physics 12, 112113 (2016).
    UTokyo Research “2D superconductor surviving in high magnetic fields over 50 Tesla” (Link)
    Highlighted in Superconductor Week as “Tokyo Observes MoS2 SC in a High Magnetic Field”, Voume30, Page.8
    マイナビニュース日経バイオテクOnlineexiteニュースに取り上げられました。
    Top 1% highly cited paper in Web of Science.(2016/5-6)
  6. Metallic ground state in an ion-gated two-dimensional superconductor
    Y. Saito, Y. Kasahara, J. T. Ye, Y. Iwasa† and T. Nojima
    Science 350, 409413 (2015).   (arXiv:1511.03266)
    UTokyo Research “The ultimate 2D superconductor” (Link)
    Highlighted in Asian Scientist as “A Minimally Disordered 2D Superconductor” (Link)
    2015年サイエンス誌に載った日本人研究者」P.63
  7. Superconductivity series in transition metal dichalcogenides by ionic gating
    W. Shi, J. T. Ye, Y. J. Zhang, R. Suzuki, M. Yoshida, J. Miyazaki, N. Inoue, Y. Saito and Y. Iwasa
    Scientific Reports 5, 12534 (2015).
  8. Ambipolar insulator-to-metal transition in black phosphorus by ionic-liquid gating
    Y. Saito and Y. Iwasa
    ACS Nano 9, 31923198 (2015).   (arXiv:1505.04859)
    Top 1% highly cited paper in Web of Science.(2016/1-2)

 

日本語総説・解説

  1. 50テスラまで維持される2次元超伝導状態
    斎藤 優、岩佐 義宏、小濱 芳允、徳永 将史
    物性研だより 56(3), 20-22 (2016).
  2. 電気二重層トランジスタと2次元超伝導
    斎藤 優、野島 勉、岩佐 義宏
    固体物理 51, 775-788 (2016).

 

プレスリリース

  1. 量子ゆらぎが支配する2次元超伝導体の新規電子相を発見 ―量子計算へ向けた超伝導デバイスの実現へ― :
    東京大学大学院工学系研究科(PDF
  2. 空間反転対称性の破れに基づく超伝導ダイオードを実現 -超伝導ナノエレクトロニクスの新機能開拓-
    東京大学大学院工学系研究科(PDF
  3. 50テスラ超強磁場まで維持される2次元超伝導状態を発見 -相対論的効果により出現する新奇超伝導現象の解明-
    東京大学大学院工学系研究科(PDF
  4. 原子層レベルの厚さの超伝導体における量子状態を解明 -乱れのない2次元超伝導体の本質理解とナノエレクトロニクス開発の礎-
    東京大学大学院工学系研究科(PDF

 

学位論文

  • Study on Electric-Field-Induced 2D Superconductivity  (電界誘起2次元超伝導の研究)
    博士論文 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 指導教官 岩佐義宏 教授 (2018年)
  • Superconductivity in Ion-gated Two-dimensional Materials  (2次元物質における電界誘起超伝導)
    修士論文 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 指導教官 岩佐義宏 教授 (2015年)
  • Nano Interface Phase Transition Device with Layered Thin Films (層状単結晶薄膜を用いたナノ界面相転移トランジスタ)
    卒業論文 東京大学工学部物理工学科 指導教官 岩佐義宏 教授 (2013年)