Nontrivial band structure in composite atomic layers studied by micro-focused aser angle-resolved photoelectron spectroscopy

• Project/Area Number: 20H01834
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Sakano Masato 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70806629)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: 角度分解光電子分光 / 原子層フレーク試料 / ファンデルワールス積層体 / ヘテロ構造 / 顕微レーザー角度分解光電子分光 / レーザー角度分解光電子分光

Outline of Research at the Start

現代科学の最前線では、原子数層からなるシート形状の原子層を可視化する・持ち上げる・重ねるといった技術が2010年代に大きく発展し、ねじれ2層グラフェンにおける超伝導の発現に代表されるような、新奇な物性が発見されるようになってきた。本研究では、計算によるシミュレーションも困難であるような、既知の原子層を組み合わせて作製された複合原子層における非自明な電子状態を実験的に直接観測し、新奇量子現象の探求を行うことを目的とする。多種多少な原子層の重ね合わせによる非自明な電子構造の形成における学理と、次世代デバイスにおける基盤技術の構築を目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed a micro-focused laser angle-resolved photoemission spectroscopy system that enables to measure of small (~0.01 mm) samples and a sample fabrication procedure for direct observation of electronic structures in van der Waals heterostructures prepared by a mechanical exfoliation and dry-transfer technique. Using these techniques, we have observed novel electronic structures in transition metal dichalcogenide few-layer materials and twist-stacked materials, which do not appear in bulk crystals, and reveal their origins.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

2次元物質を力学的に積層することによって創られるファンデルワールス積層体では、構成要素である2次元物質が単独では発現しない物性が創発され得るため、未開拓物性の宝庫として基礎・応用の両面の観点から研究されている。しかし、複雑な結晶構造を有するファンデルワールス積層体では正確な電子構造の計算予測が難しく、それが研究進展のボトルネックとなっていた。本研究で開発した顕微レーザー角度分解光電子分光装置と、角度分解光電子分光測定を可能にするファンデルワールス積層体の試料作製方法を用いることによって、ファンデルワールス積層体の電子構造の直接観測が可能となり、物性研究が飛躍的に進められることになった。

Research Products

• [Journal Article] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film (2022)
  • Author(s): Saika Bruno Kenichi、Hamao Satoshi、Majima Yuki、Huang Xiang、Matsuoka Hideki、Yoshida Satoshi、Kitamura Miho、Sakano Masato、Hatanaka Tatsuto、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Arita Ryotaro、Iwasa Yoshihiro、Nakano Masaki、Ishizaka Kyoko
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.l042021
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dry Pick-and-flip Assembly of van der Waals Heterostructures for Microfocus Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): S. Masubuchi, M. Sakano, Y. Tanaka, Y. Wakafuji, T. Yamamoto, S. Okazaki, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Li, H. Ejima, T. Sasagawa, K. Ishizaka, and T. Machida
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 10936-10936
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14845-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Odd-even Layer-number Effect of Valence-band Spin Splitting in WTe2 (2022)
  • Author(s): M. Sakano, Y. Tanaka, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Nomoto, A. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Arita, T. Sasagawa, T. Machida, and K. Ishizaka
  • Journal Title: Phys. Rev. Research Volume: 4 Issue: 2 Pages: 023247-023247
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.023247
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct observation of electronic structures in WTe₂ flakes with a small number of layers by micro-focused laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • Author(s): 坂野 昌人、石坂 香子、増渕 覚、町田 友樹
  • Journal Title: Oyo Buturi Volume: 90 Issue: 11 Pages: 679-683
  • DOI: 10.11470/oubutsu.90.11_679
  • NAID: 130008109763
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • Year and Date: 2021-11-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] キラルな結晶構造を有するテルル単体におけるスピン偏極したバンド構造 (2021)
  • Author(s): 坂野昌人
  • Journal Title: 放射光 Volume: 34 Pages: 235-241
  • NAID: 40022667538
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Competing spin modulations in the magnetically frustrated semimetal EuCuSb (2020)
  • Author(s): Takahashi Hidefumi、Aono Kai、Nambu Yusuke、Kiyanagi Ryoji、Nomoto Takuya、Sakano Masato、Ishizaka Kyoko、Arita Ryotaro、Ishiwata Shintaro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 17 Pages: 174425-174425
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.174425
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Breaking of spatial inversion symmetry in anti-parallel-stacked ReSe2 (2023)
  • Author(s): S. Akatsuka, M. Sakano, T. Yamamoto, T. Nomoto, R. Arita, R. Murata, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Kitamura, K. Horiba, K. Sugawara, S. Souma, T. Sato, H. Kumigashira, K. Shinokita, H. Wang, K. Matsuda, S. Masubuchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation on the odd-even layer-number effect in WTe2 with laser-based micro-ARPES (2023)
  • Author(s): M.Sakano, Y. Tanaka, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Nomoto, A. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Arita, T. Sasagawa, T. Machida, K. Ishizaka
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature dependent electronic structure of Cr1/4NbSe2 thin films revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): S. Hamao, B. K. Bruno, X. Huang, Y. Majima,H. Matsuoka, M. Kitamura, M. Sakano, T. Nomoto, M. Hirayama, K. Horiba, H. Kumigashira, R. Arita, Y. Iwasa, M. Nakano and K. Ishizaka
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ツイスト2層WSe2におけるバンド構造のツイスト角依存性の直接観測 (2023)
  • Author(s): 山本崇人, 坂野昌人, 赤塚俊輔, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 三石夏樹, 北村未歩, 堀場弘司, 菅原克明, 相馬清吾, 佐藤宇史, 組頭広志, 篠北啓介, 松田一成, 増渕覚, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 時間分解X線回折測定によるVTe2における超高速格子変調ダイナミクスの観測 (2023)
  • Author(s): 鈴木剛, 久保田雄也, 三石夏樹, 赤塚俊輔, 古賀淳平, 坂野昌人, 増渕覚, 田中良和, 大隅寛幸, 玉作賢治, 矢橋牧名, 高橋英史, 石渡晋太郎, 町田友樹, 松田巌, 石坂香子, 岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 希土類金属間化合物TbTXの量子振動におけるリフシッツ-コセヴィッチの式の破れ (2023)
  • Author(s): 車地崇, 木俣基, 今城周作, 三石夏樹, 坂野昌人, 厳正輝, 鬼頭俊介, 池内和彦, 中村充孝, Jorge. I. Facio, 佐賀山基, 石坂香子, 金道浩一, 有馬孝尚
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 時間分解X線回折測定によるVTe2における超高速格子変調ダイナミクスの研究 (2023)
  • Author(s): 鈴木剛, 久保田雄也, 三石夏樹, 赤塚俊輔, 古賀淳平, 坂野昌人, 増渕覚, 田中良和, 大隅寛幸, 玉作賢治, 矢橋牧名, 高橋英史, 石渡晋太郎, 町田友樹, 松田巌, 石坂香子, 岡﨑浩三
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Micro-focused ARPES study on atomically thin WTe2 flakes (2022)
  • Author(s): Masato Sakano
  • Organizer: Superstripes 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] カイラル半導体テルル単体におけるスピン構造の観測 (2022)
  • Author(s): 坂野昌人
  • Organizer: カイラル物質科学の新展開
  • Invited
• [Presentation] V族遷移金属テルライドMTe2 (M = V, Nb, Ta)の電子構造と一次元鎖構造不安定性 (2022)
  • Author(s): 三石夏樹, 杉田悠介, 上谷学, 秋葉智起, 坂野昌人, 堀場弘司, 組頭広志, 酒井英明, 高橋英史, 石渡晋太郎, 求幸年, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 超高速時間分解電子顕微鏡によるツイスト2層WSe2の超高速格子ダイナミクスの研究 (2022)
  • Author(s): 中村飛鳥, 千足勇介, 下志万貴博, 田中佑磨, 坂野昌人, 増渕覚, 町田友樹, 渡邊賢司, 谷口尚, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 180度ツイスト2層ReSe2における空間反転対称性の破れと電子状態 (2022)
  • Author(s): 赤塚俊輔, 坂野昌人, 山本崇人, 野本拓也, 有田亮太郎, 村田陵河, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 北村未歩, 堀場弘司, 菅原克明, 相馬清吾, 佐藤宇史, 組頭広志, 篠北啓介, 松田一成, 増渕覚, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるCr1/4NbSe2薄膜におけるバンド構造の温度変化の観測 (2022)
  • Author(s): 濱尾智, Bruno Kenichi Saika, 黄驤, 真島裕貴, 松岡秀樹, 北村未歩, 坂野昌人, 野本拓也, 平山元昭, 堀場弘司, 組頭広志, 有田亮太郎, 岩佐義宏, 中野匡規, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 極低温高分解能レーザーARPESによるトポロジカル超伝導体PdBi2における超伝導ギャップの直接観測 (2022)
  • Author(s): 峯明史, Yigui Zhong, Sahand Najafzadeh, 大川顕次郎, 坂野昌人, 石坂香子, 辛埴, 笹川崇男, 岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] micro-focused ARPES study on transition metal dichalcogenide flakes (2022)
  • Author(s): Masato Sakano, Yuma Tanaka, Satoru Masubuchi, Shota Okazaki, Takuya Nomoto, Atsushi Oshima, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ryotaro Arita, Takao Sasagawa, Tomoki Machida, and Kyoko Ishizaka
  • Organizer: The 9th International Workshop on 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct observation of the layer-number-dependent electronic structure in few-layer WTe2 (2022)
  • Author(s): Masato Sakano
  • Organizer: 5th EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials (2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electronic structure of Cr1/3NbSe2 epitaxial thin films studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • Author(s): B. K. Bruno, S. Hamao, H. Matsuoka, M. Nakano, M. Kitamura, M. Sakano, T. Nomoto, M. Hirayama, K. Horiba, H. Kumigashira, R. Arita, Y. Iwasa, and K. Ishizaka
  • Organizer: APS March meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct observation of the layer-number-dependent electronic structure in few-layer WTe2 (2021)
  • Author(s): M. Sakano, Y. Tanaka, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Nomoto, A. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Arita, T. Sasagawa, T. Machida, K. Ishizaka
  • Organizer: The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ツイスト二層/二層WTe2における電子状態の観測 (2021)
  • Author(s): 3.坂野昌人, 田中佑磨, 増渕覚, 岡崎尚太, 野本拓也, 山本崇人, 渡邊賢司, 谷口尚, 有田亮太郎, 笹川崇男, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Direct observation of the layer-number-dependent electronic structure in few-layer WTe2 (2021)
  • Author(s): Masato Sakano
  • Organizer: The 61st Fullerens-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子層1T'-MoTe2における電子状態の観測と層数依存性 (2021)
  • Author(s): 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 磁性半金属EuCuSbにおけるフラストレーションに起因した特異な磁気基底状態の解明 (2021)
  • Author(s): 高橋英史, 青野快, 南部雄亮, 鬼柳亮嗣, 野本拓也, 坂野昌人, 石坂香子, 有田亮太郎, 石渡晋太郎
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] Direct observation of the layer-number-dependent electronic structure in few-layer WTe2 (2021)
  • Author(s): M. Sakano
  • Organizer: The 7th International Wworkshop on 2D Materals
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the layer dependent electronic structures in atomically thin WTe2 flakes (2021)
  • Author(s): Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子層WTe2における層数依存した電子状態の観測 (2020)
  • Author(s): 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 大島敦史, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure (2020)
  • Author(s): M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • Organizer: Quantum Complex Matter 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of atomically thin WTe2 flakes and band structure investigation by angle-resolved photoemission spectroscopy (2020)
  • Author(s): Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • Organizer: Quantum Complex Matter 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子層WTe2における電子状態の観測と層数依存性 (2020)
  • Author(s): 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] 2次元物質の電子構造の直接観測 ―原子層の数の偶奇で大きく変わる性質を発見―
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-06-29-002