結晶のひずみを抑えて超伝導を発現~薄膜界面における整数比の格子整合を介した物性制御~

2025-12-11 理化学研究所,東京大学,高エネルギー加速器研究機構

理化学研究所・東京大学・高エネルギー加速器研究機構の共同研究グループは、薄膜界面で整数比(5格子:6格子)の格子整合が起きる「高次エピタキシャル成長」を利用し、テルル化鉄(FeTe)薄膜が本来低温で示す**単斜晶ひずみ(歪み)を強く抑制できることを示した。通常は転位が入り結晶品質が落ちると考えられる条件だが、界面に自己組織化した余剰元素が緩衝材のように働き、むしろ高品質化した。放射光X線回折で低温まで歪みがほぼ消えることを確認し、この歪み抑制薄膜でのみ約10K以下で超伝導(抵抗ゼロ)が発現した。添加元素(Se)なしに基板効果で超伝導を誘起できる新手法で、半導体工学や超伝導回路、トポロジカル量子計算材料開発への応用が期待される。成果はNature Communications(2025年12月5日)掲載。

結晶のひずみを抑えて超伝導を発現~薄膜界面における整数比の格子整合を介した物性制御~
整数比の格子整合と歪(ひず)みが抑制された薄膜における超伝導の発現

<関連情報>

高次エピタキシーにより実現したFeTe薄膜の超伝導と単斜晶系歪みの抑制 Superconductivity and suppressed monoclinic distortion in FeTe films enabled by higher-order epitaxy

Yuki Sato,Soma Nagahama,Shunsuke Kitou,Hajime Sagayama,Ilya Belopolski,Ryutaro Yoshimi,Minoru Kawamura,Atsushi Tsukazaki,Naoya Kanazawa,Takuya Nomoto,Ryotaro Arita,Taka-hisa Arima,Masashi Kawasaki & Yoshinori Tokura
Nature Communications  Published:05 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65902-w

Abstract

Molecular beam epitaxy enables the growth of thin film materials with novel properties and functionalities. Typically, the lattice constants of films and substrates are designed to match to minimise disorders and strains. However, significant lattice mismatches can result in higher-order epitaxy, where commensurate growth occurs with a period defined by integer multiples of the lattice constants. Despite its potential, higher-order epitaxy is rarely used to enhance material properties or induce emergent phenomena. Here, we report single-crystalline FeTe films grown via 6:5 commensurate higher-order epitaxy on CdTe(001) substrates. Scanning transmission electron microscopy reveals self-organised periodic interstitials near the interface, arising from higher-order lattice matching. Synchrotron x-ray diffraction shows that the tetragonal-to-monoclinic structural transition in bulk FeTe is strongly suppressed. Remarkably, these films exhibit substrate-selective two-dimensional superconductivity, likely due to suppressed monoclinic distortion. These findings demonstrate the potential of higher-order epitaxy as a tool to control materials and inducing emergent phenomena.

0703金属材料
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