Angle-resolved photoemission microspectroscopy of oxygen-controlled ruthenium oxides

• Project/Area Number: 20K03842
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Kurume Institute of Technology
• Principal Investigator: Ino Akihiro 久留米工業大学, 工学部, 教授 (60363040)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩澤 英明 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員 (90514068)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: モット絶縁体 / 遷移金属酸化物 / フェルミ面 / 光電子分光 / 角度分解光電子分光 / 微小結晶 / 酸素量制御 / 電子構造

Outline of Research at the Start

層状ルテニウム酸化物Ca2RuO4は刺激に敏感なモット絶縁体です。わずかな電場で絶縁体から金属に転移し、電流下の巨大反磁性、高圧下の超伝導、巨大な負の熱膨張などが報告されています。しかし、これらの現象を担う電子状態について、実験研究が遅れています。
本研究課題では、(1)角度分解光電子"顕微"分光、(2)高品質な単結晶の育成技術、(3)酸素量制御による金属化、の三つの戦略を束ねることで現状を突破し、絶縁相と金属相における電子の状態を波数空間で直接観測することを狙いとします。モット転移による多彩な物性の発現機構についての知見は、新しい電子制御素子の開発に波及することが期待されます。

Outline of Final Research Achievements

In order to elucidate the electronic structure responsible for the metal-insulator transition in layered ruthenium oxide Ca2RuO4, we have conducted research and development based on three main schemes: angle-resolved photoelectron "micro" spectroscopy, growth of high-quality single crystals, and metallization by controlling oxygen amount. Our direct observation has revealed that the introduction of a small amount of excess oxygen into the Mott insulator, Ca2RuO4, brings about a dramatic change in the energy distribution of the electronic state on the eV scale, and results in the emergence of two square-shaped sheets of Fermi surface. This indicates that the band-selective Mott transition occurs with introducing excess oxygen.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

層状ルテニウム酸化物Ca2RuO4は、電流・圧力・温度・元素置換などの外的刺激に敏感に反応するモット絶縁体ですが、絶縁相から金属相に至る電子状態の変化の経路が、外的刺激の種類によって異なり、多様な形態を示すことが判明しました。過剰酸素を導入したCa2RuO4+δのフェルミ面の直接観測から得られた知見は、強相関物質で見られる激しい物性現象のしくみの解明と制御方法の構築につながる有力な手がかりを提供します。

Research Products

• [Journal Article] Direct observation of the electronic structure of the layered phosphide superconductor ZrP2－xSex (2022)
  • Author(s): Ino A.、Kubo T.、Ishizaka S.、Takita H.、Mansuer W.、Shimada K.、Ueda S.、Kit? H.、Hase I.、Ishida S.、Oka K.、Fujihisa H.、Gotoh Y.、Yoshida Y.、Iyo A.、Ogino H.、Eisaki H.、Kawashima K.、Yanagi Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 19 Pages: 195111-195111
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.195111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evidence for Dirac nodal-line fermions in a phosphorous square-net superconductor (2022)
  • Author(s): S. Ishizaka, A. Ino, T. Kono, Y. Miyai, S. Kumar, K. Shimada, H. Kit_, I. Hase, S. Ishida, K. Oka, H. Fujihisa, Y. Gotoh, Y. Yoshida, A. Iyo, H. Ogino, H. Eisaki, K. Kawashima, Y. Yanagi, and A. Kimura
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Issue: 12 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l121103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hybridization of Bogoliubov quasiparticles between adjacent CuO2 layers in the triple-layer cuprate Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • Author(s): Ideta S.、Johnston S.、Yoshida T.、Tanaka K.、Mori M.、Anzai H.、Ino A.、Arita M.、Namatame H.、Taniguchi M.、Ishida S.、Takashima K.、Kojima K.?M.、Devereaux T.?P.、Uchida S.、Fujimori A.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 127 Issue: 21 Pages: 217004-217004
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.217004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Emergence of low-energy electronic states in oxygen-controlled Mott insulator Ca2RuO4+δ (2021)
  • Author(s): Takeo Miyashita, Hideaki Iwasawa, Tomoki Yoshikawa, Shusuke Ozawa, Hironoshin Oda, Takayuki Muro, Hiroki Ogura, Tatsuhiro Sakami, Fumihiko Nakamura, Akihiro Ino
  • Journal Title: Solid State Communications Volume: 326 Pages: 114180-114180
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2020.114180
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Anion mixing effects on the electronic structure of a phosphorus-based Dirac nodal-line superconductor ZrP2-xSex (2023)
  • Author(s): A. Ino, S. Ishizaka, T. Kubo, T. Kono, Y. Miyai, H. Takita, W. Mansuer, S. Kumar, K. Shimada, S. Ueda, H. Kito, I. Hase, S. Ishida, K. Oka, H. Fujihisa, Y. Gotoh, Y. Yoshida, A. Iyo, H. Ogino, H. Eisaki, K. Kawashima, Y. Yanagi, A. Kimura
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2023, Las Vegas, Nevada (Mar. 5-10)
• [Presentation] Direct observation of Dirac nodal-line fermions in a mixed-anion superconductor HfP2-xSex (2023)
  • Author(s): Yukimi Nishioka, Satoshi Ishizaka, Kenta Kuroda, Akihiro Ino, Shiv Kumar, Kenya Shimada, Hijiri Kito, Izumi Hase, Shigeyuki Ishida, Kunihiko Oka, Hiroshi Fujihisa, Yoshito Gotoh, Yoshiyuki Yoshida, Akira Iyo, Hiraku Ogino, Hiroshi Eisaki, Kenji Kawashima, Yousuke Yanagi, Akio Kimura
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2023, Las Vegas, Nevada (Mar. 5-10)
• [Presentation] 複合アニオン超伝導体 HfP2-xSex における線ノード型ディラック電子の直接観測 (2022)
  • Author(s): 西岡幸美, 石坂仁志, 黒田健太, 井野明洋, Shiv Kumar, 島田賢也, 鬼頭聖, 長谷泉, 石田茂之, 岡邦彦, 藤久裕司, 後藤義人, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会、東京工業大学、2022/9/12-15
• [Presentation] 放射光ARPESによるP正方格子を有する超伝導体における線ノード型ディラック粒子の観測 (2022)
  • Author(s): 石坂仁志, 井野明洋, 河野嵩, 宮井雄大, Shiv Kumar, 島田賢也, 鬼頭聖, 長谷泉, 石田茂之, 岡邦彦, 藤久裕司, 後藤義人, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] 放射光角度分解光電子分光によるP正方格子を有する超伝導体ZrP2-xSexにおける線ノードディラック粒子の観測 (2022)
  • Author(s): 西岡幸美, 石坂仁志, 井野明洋, 河野嵩, 鬼頭聖, 長谷泉, 石田茂之, 岡邦彦, 藤久裕司, 後藤義人, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] パルス電場を用いたMott絶縁体Ca2RuO4の電気抵抗測定 (2021)
  • Author(s): 小倉弘幹, 酒見龍裕, 井野明洋, 中村文彦
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 電気二重層トランジスタをもちいた長時間電場印加によるCa2RuO4の金属化 (2021)
  • Author(s): 酒見龍裕, 小倉弘幹, 井野明洋, 野島勉, 中村文彦
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Soft X-Ray Angle-Resolved Photoemission Study of Oxygen-Controlled Ca2RuO4+δ (2021)
  • Author(s): Takeo Miyashita, Hideaki Iwasawa, Tomoki Yoshikawa, Shusuke Ozawa, Hironoshin Oda, Takayuki Muro, Hiroki Ogura, Tatsuhiro Sakami, Fumihiko Nakamura, Akihiro Ino
  • Organizer: Oxide Superspin 2021 (OSS2021), Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気二重層トランジスタをもちいたCa2RuO4の金属化と印加電圧特性 (2021)
  • Author(s): 酒見龍裕, 大内拓, 小倉弘幹, 橋口浩明, 井野明洋, 野島勉, 中村文彦
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] Mott絶縁体Ca2RuO4の低温状態での微小電流による高抵抗測定 (2021)
  • Author(s): 小倉弘幹, 橋口浩明, 酒見龍裕, 井野明洋, 中村文彦
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 酸素量制御したルテニウム酸化物Ca2RuO4+δの軟X線角度分解光電子分光 (2020)
  • Author(s): 宮下剛夫, 岩澤英明, 吉川智己, 小澤秀介, 尾田拓之進, 室隆桂之, 小倉弘幹, 酒見龍裕, 中村文彦, 井野明洋
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] A15型超伝導体Nb3SnおよびNb3Alの高分解能光電子分光と電子フォノン相互作用 (2020)
  • Author(s): 石坂仁志, 田北仁志, 宮下剛夫, Wumiti Mansuer, Eike F. Schwier, 島田賢也, 岩澤英明, 上田茂典, 石田茂之, 川島健司, 吉田良行, 伊豫彰, 永崎洋, 鬼頭聖, 井野明洋
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会