超伝導体／ハーフメタル界面を用いたマヨラナフェルミオンの探索

• Project/Area Number: 16J03208
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 藤原 弘和 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: スピン角度分解光電子分光 / ハーフメタル強磁性体 / 強相関電子系 / トポロジカル超伝導体 / 超伝導体 / ヘテロ接合 / 高分解能スピン分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

本年度はマヨラナフェルミオン生成の基盤となるハーフメタル候補物質CrO2およびCoS2のスピン角度分解光電子分光（SARPES）測定を行うことで、両物質の電子状態に関する研究を行った。
CrO2の研究では、低温でフェルミ準位（EF）より高エネルギー側にあるマイノリティスピン状態が、熱ゆらぎによって誘起された強相関効果によってEF上に状態を持つことを実験的に明らかにした。先行研究では、マジョリティスピンバンド構造がUeff < 1 eVのバンド構造計算の結果と実験結果がよく一致することから、比較的小さな電子相関でCrO2の電子構造を理解できることが示唆された。これらの結果はスピンの向きに依存して電子相関の大きさが異なることを示唆しており、ハーフメタル特有の多体効果を理解する上でスピン依存電子相関効果を考慮することの重要性を示唆していると解釈できる。
CoS2の研究では、スピン依存電子相関効果に関する知見を得るために放射光ARPES及び高分解能SARPESを行った。実験で得られた電子状態をバンド計算と比較すると、Co t2gバンドがバンド幅及びバンド中心のエネルギーがバンド計算から大きく外れることを見出した。さらに超高分解能SARPES測定によってEF近傍のegバンドのスピンキャラクタを決定した。マジョリティスピンegバンドについては交換分裂を74%縮めたGGA計算の結果で概ね再現できたが、マイノリティスピンegバンドはGGA計算に比べてバンド幅が狭くなっており、電子相関効果による有効質量の増大が示唆された。これはCoS2はCoやNi等の通常の強磁性金属よりも２倍以上大きなスピン依存電子相関を持つことを明らかにした。
これらの研究成果はハーフメタルの物性を理解する上でスピン依存電子相関効果の重要性を示す初めての成果であり、ハーフメタルの機能性向上に貢献することが期待される。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ローマ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Helmholtz-Zentrum Berlin(ドイツ)
• [Journal Article] Fermi level tuning of Ag-doped Bi2Se3 topological insulator (2019)
  • Author(s): Uesugi Eri、Uchiyama Takaki、Goto Hidenori、Ota Hiromi、Ueno Teppei、Fujiwara Hirokazu、Terashima Kensei、Yokoya Takayoshi、Matsui Fumihiko、Akimitsu Jun、Kobayashi Kaya、Kubozono Yoshihiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 5376-5376
  • DOI: 10.1038/s41598-019-41906-7
  • NAID: 120006777514
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Origins of thermal spin depolarization in half-metallic ferromagnet CrO2 (2018)
  • Author(s): Hirokazu Fujiwara, Kensei Terashima, Masanori Sunagawa, Yuko Yano, Takanobu Nagayama, Tetsushi Fukura, Fumiya Yoshii, Yuka Matsuura, Makoto Ogata, Takanori Wakita, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Kenta Kuroda, Shik Shin, K. Horiba, H. Kumigashira, Yuji Muraoka and Takayoshi Yokoya
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121 Issue: 25 Pages: 257201-257201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.257201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of intrinsic half-metallic behavior of CrO2(100) epitaxialfilms by bulk-sensitive spin-resolved PES (2017)
  • Author(s): H. Fujiwara, M. Sunagawa, K. Terashima, T. Kittaka, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Journal Title: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. Volume: 220 Pages: 46-49
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2017.02.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evolution of the remnant Fermi-surface state in the lightly doped correlated spin-orbit insulator Sr2－xLaxIrO4 (2017)
  • Author(s): K. Terashima, M. Sunagawa, H. Fujiwara, T. Fukura, M. Fujii, K. Okada, K. Horigane, K. Kobayashi, R. Horie, J. Akimitsu, E. Golias, D. Marchenko, A. Varykhalov, N. L. Saini, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 96 Issue: 4 Pages: 041106-041106
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.041106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual upper critical field behavior in Nb-doped bismuth selenides (2017)
  • Author(s): K. Kobayashi, T. Ueno, H. Fujiwara, T. Yokoya, and J. Akimitsu
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 95 Issue: 18 Pages: 180503-180503
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.180503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observation of double valence-band extrema and anisotropic effective masses of the thermoelectric material SnSe (2017)
  • Author(s): Takanobu Nagayama, Kensei Terashima, Takanori Wakita, Hirokazu Fujiwara, Tetsushi Fukura, Yuko Yano, Kanta Ono, Hiroshi Kumigashira, Osamu Ogiso, Aichi Yamashita, Yoshihiko Takano, Hitoshi Mori, Hidetomo Usui, Masayuki Ochi, Kazuhiko Kuroki, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 1 Pages: 010301-010301
  • DOI: 10.7567/jjap.57.010301
  • NAID: 210000148501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ce 4f electronic states of CeO1-xFxBiS2 studied by soft x-ray photoemission spectroscopy (2017)
  • Author(s): T. Wakita, K. Terashima, T. Hamada, H. Fujiwara, M. Minohara, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, G. Kutluk, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, S. Demura, H. Okazaki, Y. Takano, Y. Mizuguchi, O. Miura, K. Okada, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 8 Pages: 085109-085109
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.085109
  • NAID: 120006377702
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of a Hidden Hole-Like Band Approaching the Fermi Level in K-Doped Iron Selenide Superconductor (2017)
  • Author(s): Masanori Sunagawa, Kensei Terashima, Takahiro Hamada, Hirokazu Fujiwara, Tetsushi Fukura, Aya Takeda, Masashi Tanaka, Hiroyuki Takeya, Yoshihiko Takano, Masashi Arita, Kenya Shimada, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Katsuhiro Suzuki, Hidetomo Usui, Kazuhiko Kuroki, Takanori Wakita, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 85 Issue: 7 Pages: 073704-073704
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.073704
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 高分解能スピン分解ARPESによるCoS2の電子構造の解明 (2018)
  • Author(s): 藤原弘和，寺嶋健成，脇田高徳，矢野佑幸，細田渉，片岡範行，照屋淳志，垣花将司，辺土正人，仲間隆男，大貫惇睦，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，堀場弘司，組頭広志，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 高分解能スピン分解ARPESによるハールメタル候補物質CoS2の電子構造の観測 (2018)
  • Author(s): 藤原弘和，寺嶋健成，脇田高徳，矢野佑幸，細田渉，片岡範行，照屋淳志，垣花将司，辺土正人，仲間隆男，大貫惇睦，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，堀場弘司，組頭広志，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Fundamental mechanisms of spin depolarization in half-metallic ferromagnet CrO2 revealed by high-resolution spin-resolved photoemission spectroscopy (2018)
  • Author(s): H. Fujiwara, K. Terashima, M. Sunagawa, Y. Yano, T. Nagayama, T. Fukura, F. Yoshii, Y. Matsuura, M. Ogata, T. Wakita, K. Yaji, A. Harasawa, K. Kuroda, S. Shin, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Organizer: International Conference on Magnetism 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intrinsic electronic structure of high-quality CrO2 epitaxial film prepared by a closed-system CVD method (2018)
  • Author(s): H. Fujiwara
  • Organizer: Energy Materials and Nanotechnology Meeting on Epitaxy 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ハーフメタルCrO2のスピン脱偏極の起源：高分解能スピン分解光電子分光 (2018)
  • Author(s): 藤原弘和，寺嶋健，砂川正典，矢野佑幸，吉井文哉，松浦由佳，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，脇田高徳，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ハーフメタルCrO2の熱ゆらぎによるスピン脱偏極の観測:高分解能スピン分解PES (2017)
  • Author(s): 藤原弘和、砂川正典、寺嶋健成、尾形誠、矢治光一郎、原沢あゆみ、辛埴、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • Organizer: 第72回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 高分解能スピン分解光電子分光によるハーフメタルCrO2のスピン脱偏極の観測 (2017)
  • Author(s): 藤原弘和、寺嶋健成、砂川正典、尾形誠、矢治光一郎、原沢あゆみ、辛埴、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] ハーフメタル強磁性体CrO2の高分解能スピン分解光電子分光 (2017)
  • Author(s): 藤原弘和、寺嶋健成、砂川正典、尾形誠、矢治光一郎、原沢あゆみ、辛埴、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • Organizer: 物性研究所短期研究会
• [Presentation] Finite Temperature Effects in Half-metal CrO2 Studied by Bulk-sensitive Spin-resolved Photoemission Spectroscopy (2016)
  • Author(s): Hirokazu Fujiwara, Masanori Sunagawa, Kensei Terashima, Tomoko Kittaka, Makoto Ogata, Takanori Wakita, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya
  • Organizer: International Workshop on Superconductivity and Related Functional Materials 2016
  • Place of Presentation: NIMS
  • Year and Date: 2016-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 深さ分解光電子分光によるCrO2(001)膜の金属的表面状態の観測 (2016)
  • Author(s): 藤原弘和、砂川正典、橘高朋子、脇田高徳、寺嶋健成、永山貴将、尾形誠、松浦由佳、吉井文哉、出田真一郎、田中清尚、村岡祐治、横谷尚睦
  • Organizer: 第７７回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] バルク敏感スピン分解光電子分光によるCrO2の本質的なハーフメタル性の解明 (2016)
  • Author(s): 藤原弘和、砂川正典、寺嶋健成、橘高朋子，尾形誠，脇田高徳，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 第７７回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Observation of Intrinsic Half-metallic Behavior of CrO2 (100) Epitaxial Films by Bulk-sensitive Spin-resolved PES (2016)
  • Author(s): H. Fujiwara, M. Sunagawa, K. Terashima, T. Kittaka, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Organizer: The 39th International conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • Place of Presentation: ETH Zurich
  • Year and Date: 2016-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CrO2の本質的なハーフメタル電子状態：バルク敏感スピン分解光電子分光 (2016)
  • Author(s): 藤原弘和、砂川正典、寺嶋健成、橘高朋子、尾形誠、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • Organizer: ２０１６年度応用物理・物理学系学会中国四国支部合同学術講演会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
• [Remarks] 自己紹介
  • URL: http://film.rlss.okayama-u.ac.jp/member/fujiwara/fujiwara.html
• [Remarks] 業績
  • URL: http://film.rlss.okayama-u.ac.jp/publication.html