Search for exotic quasiparticles by angle-resolved photoemission spectroscopy
Project/Area Number |
21H04435
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
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Research Institution | Tohoku University |
Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (10361065)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相馬 清吾 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (20431489)
中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
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Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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Budget Amount *help |
¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
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Keywords | エキゾチック準粒子 / 角度分解光電子分光 |
Outline of Research at the Start |
グラフェンにおけるディラック粒子の発見を契機として、物質中における様々なエキゾチック準粒子の探索が急ピッチで進んでいる。これらの準粒子を含む物質は、量子力学的効果が比較的大きなエネルギーと空間スケールで発現する量子物質と呼ばれ、新たな量子物理現象やデバイス研究の重要な基盤物質と考えられている。本研究では、低エネルギー光を用いた空間分割角度分解光電子分光と原子層薄膜作製分子線エピタキシーの複合装置を開発して、種々のエキゾチック準粒子を直接観測し、実験的実証に基づいて新たな量子物質を探索・確立し、特異な量子物性の発現機構を解明することを目的とする。
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Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度に引き続き、角度分解光電子分光(ARPES)-分子線エピタキシー(MBE)複合装置の開発と、それを用いたエキゾチック準粒子の探索を行った。真空紫外レーザー光源系のprobe光とpump光の同期などにより、2光子ARPESができるように調整を行った。また、試料位置の精密制御のために、高速クローズドループ制御の試料精動機構を導入して装置の除振対策を施すことにより、高精度の空間分割ARPES測定を実現した。MBE装置においては、試料作製槽内に組み込んだ蒸着源、回折装置、膜厚モニタなどの最適化調整により、原子層物質における高精度ARPES測定を実現する舞台を整えた。本装置や高輝度放射光を用いて、主に以下に示す研究成果を得た。線ノード型準粒子をもつと期待されるトポロジカル半金属超伝導体CaSb2の電子構造を決定し、線ノード型準粒子が現れる電子ポケットが欠如した状態でも超伝導が現れることを見出し、ブリルアンゾーンの中心におけるホールポケットが超伝導に重要な役割を果たすことを示唆した。カゴメ超伝導体Cs(V1-xNbx)3Sb5の電子構造をARPESによって決定した。その結果、これまで提案されている超伝導機構のモデルはVの電子だけを考慮したものがほとんどであったのに対して、V電子とSb電子が協力しながら超伝導を実現していることが明らかになった。原子層遷移金属ダイカルコゲナイドの研究においては、ダビデの星が密に整列することでモット絶縁体になるNbSe2とは異なり、原子層NbTe2はダビデの星が隙間を空けながら規則的に配列した金属となることを初めて明らかにした。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ARPES-MBE複合装置の開発においては、微小スポット低エネルギー励起光源系の開発・調整が進み、2光子光電子分光を含めた高精度の空間分解ARPES実験が行えるようになった。また、MBE装置と連動したARPES実験や試料育成と電子状態解析のフィードバックも問題なくできるようになった。原子層遷移金属大ダイカルコゲナイドNbTe2における特異なダビデの星型電荷秩序構造の観測は、ダビデの星の配列パターンにより原子層物質の伝導性を制御できることを示したものであり、原子層材料における新たな物性創発やデバイス化への道を拓くと期待される。また、かごめ超伝導体で明らかになったVとSb軌道の協働性は、超伝導機構の解明とより高い温度で超伝導になる物質の設計に指針を与えるものである。以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断した。
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Strategy for Future Research Activity |
今後は、ARPES-MBE複合装置の開発とそれを用いたエキゾチック準粒子の探索を、主に以下の内容について行う。(1) 空間分割ARPES装置の開発: 2光子ARPESシステムの光路系の調整を行い、空間分割ARPES測定に加えて、フェルミ準位より上の電子構造のスピン偏極バンド構造を決定できるようにする。(2) 原子層薄膜作製MBE装置の開発: 原子層薄膜MBE-ARPES複合装置の整備を継続し、種々の原子層薄膜の作製とその場構造評価を行う。(3) マヨラナ準粒子の母体となる超伝導ヘテロ構造の開拓: マヨラナ準粒子探索のプラットフォームとして最近注目されているカゴメ超伝導体の電子構造を高精度で決定し、トポロジカル超伝導の可能性を検証するとともに、エキゾチック二次元格子を有する系と超伝導体のヘテロ構造を作製して、フェルミ面のトポロジーを決定する。(4) 磁性トポロジカル物質におけるアキシオンの探索: アキシオンを内包すると期待される反強磁性絶縁体において空間分割ARPES測定を行い、反強磁性ドメインを分離した表面およびバルクの電子状態の解明を行い、そのトポロジカル性を検証する。(5) 結晶対称性に基づいた多重ノーダル準粒子の実証: 新奇エキゾチックノーダル準粒子が内包されると期待されるトポロジカル半金属候補物質において、空間分割ARPESによってバルク、表面、およびエッジ状態を分離観測し、新型準粒子のバンド構造の決定を目指す。 (6) 圧力印加ARPESによるエキゾチック準粒子制御: 熱膨張率の違いや力学的歪みを利用して1軸および2軸圧力を試料に印加できる機構を開発してARPES装置に組み込み、量子相転移点に近いディラック電子系や、対称性に保護されたディラック電子系において、圧力印加による準粒子の質量変化を検出する。
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Report
(3 results)
Research Products
(129 results)
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[Journal Article] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES2023
Author(s)
Katsuaki Sugawara, Haruki Kusaka, Tappei Kawakami, Koki Yanagizawa, Asuka Honma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shin-ichi Orimo, Masayuki Toyoda, Susumu Saito, Takahiro Kondo, and Takafumi Sato
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Journal Title
Nano Letters
Volume: 23
Issue: 5
Pages: 1673-1679
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[Journal Article] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics2022
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M. Kitamura, S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, T. Sato, K. Horiba
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Journal Title
Review of Scientific Instruments
Volume: 93
Issue: 3
Pages: 033906-033906
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[Journal Article] Robust charge-density wave strengthened by electron correlations in monolayer 1T-TaSe2 and 1T-NbSe22021
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Yuki Nakata, Katsuaki Sugawara, Ashish Chainani, Changhua Bao, Shaohua Zhou, Pei-Yu Chuang, Cheng-Maw Cheng, Tappei Kawakami, Yasuaki Saruta, Shuyun Zhou, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 12
Issue: 1
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[Journal Article] Dirac Semimetal Phase and Topological Phase Transition in XMg2Bi2 (X = Ba and Sr)2021
Author(s)
Daichi Takane, Yuya Kubota, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kunihiko Yamauchi, Seigo Souma, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
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Journal Title
Sci. Rep.
Volume: 11
Issue: 1
Pages: 21937-21937
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[Presentation] Micro-ARPES study of the kagome superconductor CsV3Sb52023
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Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
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APS March Meeting 2023
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[Presentation] マイクロARPESによるカゴメ超伝導体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)の電子状態2023
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日本物理学会2023年春季大会
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[Presentation] マイクロARPESによる反強磁性体NdSbの新奇表面電子状態2023
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本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
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日本物理学会2023年春季大会
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[Presentation] High-resolution ARPES study of a kagome superconductor Cs(V1-xNbx)3Sb52022
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Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Fumihiko Matsui, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
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International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES22)
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[Presentation] μ-ARPES study of antiferromagnetic topological insulator candidate NdBi2022
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A. Honma, D. Takane, S. Souma, Y. Wang, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. Kim, C. Cacho, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
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International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES22)
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[Presentation] Three-Dimensional Nature of Charge-Density Wave in Kagome Superconductor KV3Sb5 Studied by ARPES2022
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T. Kato, Y. Li, T. Kawakami, M. Liu, K. Nakayama, Z. Wang, A.Moriya, K. Tanaka, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
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13th International Conference on Materials and mechanisms of Superconductivity & High Temperature Superconductors(M2S)
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[Presentation] Micro-ARPES study of ferromagnetic layered oxide Sr4Ru3O102022
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S. Souma, N. Watanabe, K. Nakayama, K. Yamauchi, J. F. Ribeiro, Y. Wang, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Oguchi, T. Takahash, Z. Q. Mao, Y. P. Chen, and T. Sato
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29th International Conference on Low Temperature Physics
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[Presentation] Electronic structure of monolayer VS2 thin film studied by ARPES2022
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[Presentation] Micro-ARPES study of Bismuth2022
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[Presentation] Observation of Domain-Dependent Dirac-Cone Surface States in Antiferromagnetic NdBi by Micro-ARPES2022
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A. Honma, D. Takane, S. Souma, Y. Wang, K. Nakayama, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. Kim, C. Cacho, Y. Ando, and T. Sato
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[Presentation] μ-ARPESによる反強磁性トポロジカル絶縁体NdBiのドメイン依存Dirac電子状態2022
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本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 田中清尚, T. Kim, C. Cacho, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
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[Presentation] 新型トポロジカル物質候補CdGeAs2のARPES2022
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加藤剛臣, 川上竜平, 守谷歩美, 中山耕輔, Yongkai Li, Min Liu, Zhiwei Wang, 田中清尚, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
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日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5におけるNb置換効果:高分解能ARPES2022
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日本物理学会 2022年秋季大会
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[Presentation] 原子層 NbS2 薄膜の電子状態:マイクロARPES2022
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[Presentation] 反強磁性体NdBiにおけるトポロジカル電子状態のマイクロARPES観測2022
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