原子スケールで制御されたトポロジカル電子状態におけるダイナミクスの解明

• Project/Area Number: 17J03534
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 伊藤 俊 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: トポロジカル物質 / 角度分解光電子分光 / スピン分解光電子分光 / 時間分解光電子分光 / 表面原子吸着 / 量子サイズ効果

Outline of Annual Research Achievements

本年度ではまず、膜厚変調および原子吸着によって制御されたBi薄膜の光電子分光測定と第一原理計算、タイトバインディング計算、モデル計算を段階的に組み合わせることで、半世紀前から議論が続いてきた半金属-半導体転移の完全な描像を得ることに成功した。Bi薄膜の厚みが原子層スケールまで小さくなると、Biのトポロジカル表面電子状態の影響が増大していき、その表面の電荷分布の電子相関効果によって、量子化ポテンシャル自体が変形されていくという驚くべき描像である。近年注目を集めるトポロジカル物質のナノ構造において普遍的に存在する効果として、広い波及効果を持つと期待される。これは、この研究課題を開始した時点では全く予想していなかった展開であり、国際学会TASPECにてBest Student Presentation Awardを受賞した。結果を論文にまとめており、現在高インパクトファクター論文誌で査読中である。
スピン分解時間分解光電子分光の立ち上げについては昨年度から引き続きテスト測定を行ったが、磁場の影響が予想以上に強く、磁気遮蔽のさらなる改善が必要であることが明らかになった。改良型磁気シールドの納入が遅れてしまったことが影響し、標準試料を用いたテスト測定の段階に留まった。
Bi薄膜のスピン積分の超高速ダイナミクスについては、時間分解光電子分光測定に加えて、より精密な数値シミュレーションを行うことでサブピコ秒領域の光起電力生成機構を解明した。さらに、基板条件を精密に制御した光電子分光測定を行い、Bi薄膜特有の基板からの独立性がこの結果の背景にあることも明らかになった。これらの論文を準備中である。

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

• [Journal Article] Electronic structure of a monatomic Cu2Si layer on a Si substrate (2019)
  • Author(s): M. Cameau, R. Yukawa, S. Ito, R. Ishibiki, K. Horiba, Y. Obata, T. Kondo, H. Kumigashira, M. D'angelo, I. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Controlling the surface photovoltage on WSe2 by surface chemical modification (2018)
  • Author(s): Liu Ro-Ya、Ozawa Kenichi、Terashima Naoya、Natsui Yuto、Feng Baojie、Ito Suguru、Chen Wei-Chuan、Cheng Cheng-Maw、Yamamoto Susumu、Kato Hiroo、Chiang Tai-Chang、Matsuda Iwao
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Issue: 21 Pages: 211603-211603
  • DOI: 10.1063/1.5026351
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alkali-metal induced band structure deformation investigated by angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles calculations (2018)
  • Author(s): S. Ito, B. Feng, M. Arita, T. Someya, W.-C. Chen, A. Takayama, T. Iimori, H. Namatame, M. Taniguchi, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, F. Komori, I. Matsuda
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Issue: 15 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.155423
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of 2D Anisotropic Dirac Cones (2018)
  • Author(s): Baojie Feng, Jin Zhang, Suguru Ito, Masashi Arita, Cai Cheng, Lan Chen, Kehui Wu, Fumio Komori, Osamu Sugino, Koji Miyamoto, Taichi Okuda, Sheng Meng, Iwao Matsuda
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 30 Issue: 2 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1002/adma.201704025
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental realization of two-dimensional Dirac nodal line fermions in monolayer Cu2Si (2017)
  • Author(s): Baojie Feng, Botao Fu, Shusuke Kasamatsu, Suguru Ito, Peng Cheng, Cheng-Cheng Liu, Ya Feng, Shilong Wu, Sanjoy K Mahatha, Polina Sheverdyaeva, Paolo Moras, Masashi Arita, Osamu Sugino, Tai-Chang Chiang, Kenya Shimada, Koji Miyamoto, Taichi Okuda, Kehui Wu, Lan Chen, Yugui Yao, Iwao Matsuda
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01108-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高繰り返し超短パルスレーザーを用いた高効率な超高速スピンダイナミクス測定システムの構築II (2019)
  • Author(s): 伊藤俊, 乙津聡夫, 河村紀一, 山本達, 谷峻太郎, 小林洋平, 小森文夫, 松田巌
  • Organizer: 日本物理学会2019年年次大会
• [Presentation] 高繰り返し超短パルスレーザーを用いた高効率な超高速スピンダイナミクス測定システムの構築 (2018)
  • Author(s): 伊藤俊, 乙津聡夫, 河村紀一, 山本達, 谷峻太郎, 小林洋平, 小森文夫, 松田巌
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Resolving the microscopic driving mechanisms of a semimetal-to-semiconductor transition in ultrahin bismuth films (2018)
  • Author(s): Suguru Ito, Masashi Arita, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Guang Bian, Shu-Jung Tang, Tai-Chang Chiang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • Organizer: International Workshop on Trends in Advanced Spectroscopy in Material Science (TASPEC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resolving the microscopic driving mechanisms of a semimetal-to-semiconductor transition in ultrahin bismuth films (2018)
  • Author(s): Suguru Ito, Masashi Arita, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, Cheng-Maw Cheng, Guang Bian, Shu-Jung Tang, Tai-Chang Chiang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • Organizer: The 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高分解能角度分解光電子分光によるBi超薄膜の半金属-半導体転移の直接観測 (2018)
  • Author(s): 伊藤俊, 有田将司, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, 生天目博文, 谷口雅樹, Cheng- Maw Cheng, Shu-Jung Tang, 小森文夫, 松田巌
  • Organizer: 日本物理学会2018年年次大会
• [Presentation] Solving mysteries in pure bismuth by quantum confinement (2017)
  • Author(s): Suguru Ito, Baojie Feng, Masashi Arita, Akari Takayama, Ro-Ya Liu, Takashi Someya, Wei-Chuan Chen, Takushi Iimori, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Shu-Jung Tang, Fumio Komori, Katsuyoshi Kobayashi, Tai-Chang Chiang, Iwao Matsuda
  • Organizer: The 33th European Conference on Surface Science (ECOSS-33)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct observation of a semimetal-to-semiconductor transition in bismuth thin films (2017)
  • Author(s): Suguru Ito, Masashi Arita, Wei-Chuan Chen, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Shu-Jung Tang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photo-induced ultrafast potential shift observed at a metal-semiconductor interface of a Bi thin film (2017)
  • Author(s): Suguru Ito, Yukiaki Ishida, Susumu Yamamoto, Shik Shin, Iwao Matsuda
  • Organizer: The 10th International conference on Ultrafast Surface Dynamics (USD10)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 表面吸着アルカリ金属原子からの電子ドーピングによるバンド構造の変形 (2017)
  • Author(s): 伊藤俊, B. Feng, 有田将司, 染谷隆史, 高山あかり, W.-C. Chen, 飯盛拓嗣, 生天目博文, 谷口雅樹, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, 小森文夫, 松田巌
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会