新しいナノスケール技術で量子材料の秘密を解明 (New nanoscale technique unlocks quantum material secrets)

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2025-02-18 アルゴンヌ国立研究所 (ANL)

アルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、新たな手法「表面感受型スピントロニクステラヘルツ分光法(SSTS)」を開発し、材料の界面近傍における原子振動の詳細な観察に成功しました。この技術により、材料の表面や界面でのフォノン(原子の集団振動)を研究でき、バルク材料とは異なる振る舞いを示すことが明らかになりました。特に、2つの結晶性材料の界面でのみ現れる「界面超伝導」は、新たな量子技術への応用が期待されています。SSTSは、超高速レーザーを用いて酸化物と金属のサンプルにパルスを照射し、テラヘルツ放射を生成することで、界面近傍のフォノンダイナミクスを検出します。この手法は、磁性や超伝導性などの量子現象の解明に役立つとされています。

<関連情報>

量子常誘電体におけるサブテラヘルツ原子振動を表面敏感スピントロニックテラヘルツ分光で明らかにする Revealing subterahertz atomic vibrations in quantum paraelectrics by surface-sensitive spintronic terahertz spectroscopy

Zhaodong Chu, Junyi Yang, Yan Li, Kyle Hwangbo, […], and Haidan Wen
Science Advances  Published:29 Nov 2024
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ads8601

新しいナノスケール技術で量子材料の秘密を解明 (New nanoscale technique unlocks quantum material secrets)

Abstract

Understanding surface collective dynamics in quantum materials is crucial for advancing quantum technologies. For example, surface phonon modes in quantum paraelectrics are thought to be essential in facilitating interfacial superconductivity. However, detecting these modes, especially below 1 terahertz, is challenging because of limited sampling volumes and the need for high spectroscopic resolution. Here, we report surface soft transverse optical (TO1) phonon dynamics in KTaO3 and SrTiO3 by surface-sensitive spintronic terahertz spectroscopy that can sense the collective modes only a few nanometers deep from the surface. In KTaO3, the TO1 mode softens and sharpens with decreasing temperature, leveling off at 0.7 terahertz. In contrast, this mode in SrTiO3 broadens substantially below the quantum paraelectric crossover and coincides with the hardening of a sub–milli–electron volt phonon mode related to the antiferrodistortive transition. These observations that deviate from their bulk properties may have implications for interfacial superconductivity and ferroelectricity. The developed technique opens opportunities for sensing low-energy surface collective excitations.

1700応用理学一般
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