界面に潜んだ重い電子の存在をはじめて実証 ―界面を利用した新たな強相関量子状態の人工設計へ―

2026-10-06 大阪大学

大阪大学の研究グループは、銅(Cu)単結晶基板上に作製した単原子層YbCu₂薄膜について、異なる物質の界面に「重い電子状態」が形成されることを世界で初めて実証した。高品質な原子層薄膜を作製し、シンクロトロン光を利用した高分解能の角度分解光電子分光(ARPES)で電子状態を測定した結果、Ybの局在した4f電子とCu基板の伝導電子が界面を越えて混成し、従来とは異なる「界面重い電子状態」を形成することが明らかになった。これは、物質そのものを合成するだけでなく、異なる材料の界面構造や電子軌道を設計することで、強相関量子状態を人工的に創出できる可能性を示す成果である。将来的には、特異な超伝導や量子臨界現象など、新しい量子機能材料の開発につながることが期待される。

界面に潜んだ重い電子の存在をはじめて実証 ―界面を利用した新たな強相関量子状態の人工設計へ―
図1. YbCu2とCuの間を伝播する界面重い電子の概念図

<関連情報>

Cu(111)基板上の二次元近藤格子YbCu2における界面重フェルミオン形成 Interfacial heavy fermion formation in a two-dimensional Kondo lattice YbCu2 on Cu(111) substrate

Takuto Nakamura, Hiroki Sugihara, Toshio Miyamachi, Yitong Chen, Kaito Nishihara, Ryo Ichikawa, Hiroka Yamaguchi, Ryu Yukawa, Kiyohisa Tanaka, Yuri Hasegawa, Yoshiyuki Ohtsubo, Fumio Komori & Shin-ichi Kimura
Communications Materials  Published:06 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43246-026-01332-5

Abstract

The exchange interaction between a local magnetic moment and itinerant carriers mediated by the Kondo effect is the origin of strongly correlated quantum phenomena. The concept of an interfacial Kondo lattice, exemplified by the moiré Kondo lattice, provides a powerful platform for exploring quantum critical phenomena such as non-Fermi-liquid behavior and unconventional superconductivity in low dimensions, owing to the high tunability and sensitivity of its physical parameters. However, direct observation of interfacial heavy fermions (HF) has remained elusive due to the lack of suitable candidate systems. Here, we present momentum-resolved evidence of interfacial HF formation between a rare-earth-based two-dimensional (2D) Kondo lattice, YbCu2, and a noble-metal Cu(111) substrate, obtained using high-resolution synchrotron-based angle-resolved photoemission spectroscopy. Momentum-resolved measurements unambiguously reveal interfacial HF states arising from hybridization between the Cu(111) metallic band and the Yb 4f orbitals in the topmost YbCu2 layer. Our experimental results establish an alternative degree of freedom for fabricating artificial Kondo lattices in low-dimensional systems.

1701物理及び化学
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