スピン分解ＡＲＰＥＳによるトポロジカル半金属における新奇量子相の探求

• Project/Area Number: 18J20058
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高根 大地 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 角度分解光電子分光 / トポロジカル半金属 / スピン角度分解光電子分光 / MBE薄膜 / 反強磁性体 / スピン・角度分解光電子分光 / MBE薄膜作製

Outline of Annual Research Achievements

本年度は主にMBE-スピン分解ARPES一体装置の高度化とトポロジカルディラック半金属XMg2Bi2(X=Sr, Ba)におけるアルカリ土類金属元素置換によるトポロジカル相転移の観測を行った。
装置改良として、6 eVレーザー光源の偏光光学系の設置を行った。偏光光学系を新たに設置することで、高い消光比の円/直線偏光を用いたスピン分解ARPES実験が可能となった。これにより、円二色性や光電子励起選択則を用いた電子バンドの軌道決定や正確な基底状態スピン構造の決定が可能となった。
また、上記の装置改良に並行して、トポロジカルディラック半金属候補物質BaMg2Bi2の電子構造の決定と、BaをSrに置換した際の電子構造の変化の観測を行った。バルク敏感な軟X線ARPES実験によってBaMg2Bi2の3次元電子構造を決定した。その結果、本物質がΓ点周りに線形バンドで構成されるフェルミ面のみを持ち、理想的なディラック半金属の電子状態を実現していることを明らかにした。真空紫外光を用いた高分解能ARPESとK原子表面吸着法を用いた線形バンドの全分散の詳細観測から、この線形バンドがギャップレスなディラック錐を形成していることを見出した。これにより、BaMg2Bi2が理想的な電子状態をもつトポロジカルディラック半金属物質であることを明らかにした。
また、本物質のアルカリ土類金属BaをSrに置換したSrMg2Bi2の電子状態の決定を行い、スピン軌道相互作用がトポロジカル相に与える影響を精査した。その結果、SrMg2Bi2の価電子帯電子構造はBaMg2Bi2のものとほとんど一致することが軟X線ARPES実験より明らかとなった。一方で、真空紫外光を用いた高分解能ARPES実験によって、SrMg2Bi2はBaMg2Bi2と異なり、価電子帯と伝導帯の間にギャップを持つ通常絶縁体であることを見出した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ケルン大学/Helmholtz Zentrum Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] DIAMOND Light Source(英国)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] Swiss Light Souce(スイス)
• [Int'l Joint Research] ケルン大学/BESSY(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] DIAMOND Light Source(英国)
• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute(スイス)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Journal Article] From Photoemission Microscopy to an “All-in-One” Photoemission Experiment (2020)
  • Author(s): K. Nakayama, S. Souma, C. X. Trang, D. Takane, C. Chen, J. Avila, T. Takahashi, S. Sasaki, Kouji S., M. C. Asensio, Y. Ando, and T. Sato,
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 18 Issue: 0 Pages: 48-56
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2020.48
  • NAID: 130007803775
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2020-02-29
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of inverted band structure in the topological Dirac semimetal candidate CaAuAs (2020)
  • Author(s): Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Kubota Yuya、Nakata Yuki、Cacho Cephise、Kim Timur、Ekahana Sandy Adhitia、Shi Ming、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.041104
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Signature of band inversion in the antiferromagnetic phase of axion insulator candidate EuIn2As2 (2020)
  • Author(s): Sato Takafumi、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Cui Chaoxi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Kubota Yuya、Cacho Cephise、Kim Timur K.、Arab Arian、Strocov Vladimir N.、Yao Yugui、Takahashi Takashi
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 3 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033342
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeXc (Xc=S, Se, Te) (2019)
  • Author(s): Nakamura Takechika、Souma Seigo、Wang Zhiwei、Yamauchi Kunihiko、Takane Daichi、Oinuma Hikaru、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 24 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.245105
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of Chiral Fermions with a Large Topological Charge and Associated Fermi-Arc Surface States in CoSi (2019)
  • Author(s): Takane Daichi、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Nakamura Takechika、Oinuma Hikaru、Nakata Yuki、Iwasawa Hideaki、Cacho Cephise、Kim Timur、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 7 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.076402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of a Dirac nodal line in AlB2 (2018)
  • Author(s): Takane Daichi、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Nakamura Takechika、Oinuma Hikaru、Hori Kentaro、Horiba Kouji、Kumigashira Hiroshi、Kimura Noriaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.041105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of band crossings protected by nonsymmorphic symmetry in the layered ternary telluride Ta3SiTe6 (2018)
  • Author(s): Sato Takafumi、Wang Zhiwei、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takane Daichi、Nakata Yuki、Iwasawa Hideaki、Cacho Cephise、Kim Timur、Takahashi Takashi、Ando Yoichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 12 Pages: 1211111-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.121111
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ディラック半金属候補物質 BaMg2Bi2 の高分解能 ARPES (2021)
  • Author(s): 高根大地, 久保田雄也, 川上竜平, 加藤剛臣, 坪野竜治, 菅原克明, 中山耕輔, 相馬清吾, 出田真一郎, 田中清尚, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会(2021 年年次大会)
• [Presentation] 反強磁性ハーフホイスラーGdPtBi の電子状態観測: 高分解能 ARPES (2020)
  • Author(s): 高根大地, 鈴木健士, 相馬清吾, 山内邦彦, 中山耕輔, 堀健太郎, C. X. Trang, Emile D. L. Rienks, 北村未歩, C. Cacho, T. Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋 隆, 佐 藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会(2020 年秋季大会),
• [Presentation] ARPESによるハーフホイスラーGdPtBiのバルク/表面電子構造の観測 (2020)
  • Author(s): 高根大地, 鈴木健士, 相馬清吾, 山内邦彦, 中山耕輔, 堀健太郎, C. X. Trang, Emile D. L. Rienks, 北村未歩, C. Cacho, T. Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋隆, J. G. Checkelsky, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会(2020年年次大会)
• [Presentation] Spin-1 excitation and double Weyl node with Chern number ±2 in CoSi studied by APRES (2019)
  • Author(s): Daichi Takane, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Takechika Nakamura, Hikaru Oinuma, Yuki Nakata, Hideaki Iwasawa, Cephise Cacho, Timur Kim, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira,Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato.
  • Organizer: CIFAR Summer School & Program Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カイラルトポロジカル半金属CoSiの表面電子状態のARPES観測 (2019)
  • Author(s): 高根大地, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 中山耕輔, 中村剛慶, 追沼暉, 中田優樹, 岩澤英明, Cephise Cacho, Timur Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 安藤陽一, 佐藤宇史,
  • Organizer: 日本物理学会(2019年秋季大会)
• [Presentation] Observation of Bulk Topological Fermionic excitation with Chern Number ±2 in CoSi (2019)
  • Author(s): D. Takane, Z. Wang, S. Souma, K. Nakayama, T. Nakamura, H. Oinuma, Y. Nakata, H. Iwasawa, C. Cacho, T. Kim, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, Y. Ando, and T. Sato
  • Organizer: 第3回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
• [Presentation] トポロジカル半金属CoSiにおけるカイラルフェルミオンのARPES観測 (2019)
  • Author(s): 高根大地, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 中山耕輔, 中村剛慶, 追沼暉, 中田優樹, 岩澤英明, Cephise Cacho, Timur Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会(2019年年次大会)
• [Presentation] AlB2におけるディラック線ノードの観測：軟X線ARPES (2018)
  • Author(s): 高根大地, 相馬清吾, 中山耕輔, 中村剛慶, 追沼暉, 堀健太郎, 堀場弘司, 組頭広志, 木村憲彰, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会(2018年年秋季大会)