一軸応力印加角度分解光電子分光法によるトポロジカル相転移の研究

• Project/Area Number: 21K03433
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 有田 将司 広島大学, 技術センター, 技術専門職員 (20379910)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 角度分解光電子分光 / 一軸応力印加 / 外場印可 / トポロジカル物質 / トポロジカル相転移 / 高次トポロジカル絶縁体

Outline of Research at the Start

鏡対称性に守られたトポロジカル金属表面状態を持つトポロジカル結晶絶縁体に対し、一軸応力印加を行う。それにより格子定数が変化した場合に、バンド反転が解けることで発現するトポロジカル相転移や、系の対称性が変化した場合に発現するトポロジカル表面状態の変化を角度分解光電子分光法（ARPES）により、その場観測を行う。また対称性が破れてもトポロジカル絶縁体の物質端に状態が残留する、新しい物質概念である高次トポロジカル絶縁体のヒンジ状態についてARPESを用いて観測を行う。これらにより、一軸応力印加によるトポロジカル相転移や高次トポロジカル表面状態を調べ、この物質系での新しい物理的知見を得ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

金属的表面状態を持つトポロジカル絶縁体では、一軸応力印加で結晶の格子が歪みを与えると、その電子状態が変化することが予測される。この研究では、この電子状態の変化、特に、トポロジカル相転移近傍の電子状態を角度分解光電子分光（ARPES）法で観測することで、新しい知見を得ることを目指した。また、放射光ARPES装置で広く共同研究ユーザーが利用できる、一軸歪印加試料ホルダを開発し、歪印可ARPES実験できる環境を整備することを目的としている。
2023年度は、一軸歪印可試料ホルダの熱伝導性向上などの改良を行い、1T-TaS2の再測定を行った。抵抗率測定とARPES測定で伸張方向の歪に対し低温側への転移温度のシフトが見られた。この転移点のシフトは、格子の歪によりCDWの抑制が起こっていると考えられる。また、トポロジカル絶縁体Bi2Se3の歪印可測定を行い、歪誘起によるトポロジカル表面電子状態の変化が観測できた。
期間を通して、ARPES用の電極付き試料マニピュレータの整備と電極付き試料ホルダの開発を行った。ホルダ上で1T-TaS2の４端子電気抵抗率測定を実施したところ正しく測定ができ、これらが正しく作動することが分かった。ピエゾ素子による一軸歪印可ホルダの開発も進め、電極ホルダ上で加圧動作することを確認した。このように放射光高分解能ARPES装置において、共同研究ユーザーが広く使用できる、数種類の一軸応力印可ホルダを開発、また電極マニピュレータと電極ホルダを開発し、様々な外場印可ARPES測定が可能な環境を整備することができた。Pb1-xSnxTeの試料は、硬く脆い試料であったため、歪印可ARPES測定では議論しうる結果を得ることが困難であったが、柔らかい層状物質の1T-TaS2やBi2Se3では、歪印可によるCDW相転移点やトポロジカル表面電子状態の変化を得ることができた。

Research Products

• [Journal Article] Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet (2024)
  • Author(s): Y. P. Zhu, M. Arita(21番目), C. Liu(全30名)
  • Journal Title: Nature Volume: 626 Issue: 7999 Pages: 523-528
  • DOI: 10.1038/s41586-024-07023-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy with micrometer spatial resolution and detection of three-dimensional spin vector (2024)
  • Author(s): Iwata Takuma、Kousa T.、Nishioka Y.、Ohwada K.、Sumida K.、Annese E.、Kakoki M.、Kuroda Kenta、Iwasawa H.、Arita M.、Kumar S.、Kimura A.、Miyamoto K.、Okuda T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Issue: 1 Pages: 127-127
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47719-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Orbital-selective charge-density wave in TaTe4 (2023)
  • Author(s): Xu R. Z.、Du X.、Zhou J. S.、Gu X.、Zhang Q. Q.、Li Y. D.、Zhao W. X.、Zheng F. W.、Arita M.、Shimada K.、Kim T. K.、Cacho C.、Guo Y. F.、Liu Z. K.、Chen Y. L.、Yang L. X.
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 8 Issue: 1 Pages: 44-44
  • DOI: 10.1038/s41535-023-00573-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Creation of a p-type TlBiSe2 using photo-induced doping (2023)
  • Author(s): R. Itaya, Y. Toichi, R. Nakanishi, N. Ebara, Y. Nakata, K. Kasai, K. Kuroda, M. Arita, I. Yamamoto, K. Fukutani and K. Sakamoto
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.114201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of temperature-dependent Fermi surface evolution at the valence transition of YbInCu4 (2023)
  • Author(s): Anzai Hiroaki、Hariki Atsushi、Sato Hitoshi、Arita Masashi、Zhuang Tao、Hiraoka Koichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 7 Pages: 075116-075116
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.075116
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fermi Surface Geometry of Heavily Hole Doped CaKFe4As4 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): S. Hikami, S. Ishida, A. Iyo, H. Eisaki, M. Arita, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, N. L. Saini, T. Mizokawa,
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 12 Pages: 124704-124704
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124704
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoemission Spectroscopy Study on the Heavy-Fermion Compound YbAgCu4 (2022)
  • Author(s): H. Anzai, R. Tawara, Y. Kikuchi, H. Sato, M. Arita, R. Takaaze, K. T. Matsumoto, K. Hiraoka
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 11
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.114703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Profiling spin and orbital texture of a topological insulator in full momentum space (2021)
  • Author(s): Bentmann H.、Maass H.、Braun J.、Seibel C.、Kokh K. A.、Tereshchenko O. E.、Schreyeck S.、Brunner K.、Molenkamp L. W.、Miyamoto K.、Arita M.、Shimada K.、Okuda T.、Kirschner J.、Tusche C.、Ebert H.、Min?r J.、Reinert F.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l161107
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of Dresselhaus type spin splitting of zinc blende structure semiconductors by circular dichroic photoemission study (2021)
  • Author(s): Cho Soohyun、Jung Wonsig、Hong Jisook、Kim Beomyoung、Han Garam、Leandersson M.、Balasubramanian T.、Arita Masashi、Shimada Kenya、Shim Ji Hoon、Kim Changyoung、Park Seung Ryong
  • Journal Title: Current Applied Physics Volume: 30 Pages: 96-101
  • DOI: 10.1016/j.cap.2021.06.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Realization of a tunable surface Dirac gap in Sb-doped MnBi2Te4 (2021)
  • Author(s): Ma Xiao-Ming、Zhao Yufei、Zhang Ke、Kumar Shiv、Lu Ruie、Li Jiayu、Yao Qiushi、Shao Jifeng、Hou Fuchen、Wu Xuefeng、Zeng Meng、Hao Yu-Jie、Hao Zhanyang、Wang Yuan、Liu Xiang-Rui、Shen Huiwen、Sun Hongyi、Mei Jiawei、Miyamoto Koji、Okuda Taichi、Arita Masashi、Schwier Eike F.、Shimada Kenya、Liu Chang [他6名]
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.l121112
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct evidence of electron-hole compensation for extreme magnetoresistance in topologically trivial YBi (2021)
  • Author(s): Xiao Shaozhu、Li Yinxiang、Li Yong、Yang Xiufu、Zhang Shiju、Liu Wei、Wu Xianxin、Li Bin、Arita Masashi、Shimada Kenya、Shi Youguo、He Shaolong
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.115119
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Persistence of the topological surface states in Bi2Se3 against Ag intercalation at room temperature (2020)
  • Author(s): M. Ye, K. Kuroda, M. Otrokov, A. Ryabishchenkova, A. Ernst, E. V. Chulkov, M. Nakatake, M. Arita, T. Okuda, T. Matsushita, L. T_th, H. Daimon, K. Shimada, Y. Ueda and A. Kimura
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 125 Issue: 3 Pages: 1784-1792
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c07462
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] HiSOR BL-9Aの現状とリモート実験に向けたサンプル搬送環境の開発 (2024)
  • Author(s): 有田 将司、宮本 幸治、奥田 太一、生天目 博文、島田 賢也
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 新規励起子絶縁体候補物質GdGaIへのK蒸着で次元性が変化する電子構造の角度分解光電子分光観察 (2024)
  • Author(s): 合戸洸平、 大熊隆太郎、 藤澤唯太、 友田七海、 岩田拓万、 有田将司、 Yuyang Dong、 川口海周、 森亮、 黒田健太、 岡田佳憲、 近藤猛
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 近藤半導体CeM2Al10（M = Ru、 Fe）における混成強度の異方性 (2024)
  • Author(s): 山岡人志、谷田博司、 Eike F. Schwier、 Shivam Kumar、 山本義哉、 仲武昌史、 有田将司、 田島史郎、 小野寺蓮太、 西岡孝、 島田賢也、 水木純一郎
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 近藤半導体CeRu2Al10におけるRh置換効果：遍歴磁性から局所磁性へ (2024)
  • Author(s): 山岡人志、 Eike F. Schwier、谷田博司、 山本義哉、 Shivam Kumar、 有田将司、 島田賢也、 田島史郎、 小野寺蓮太、 西岡孝、 石井啓文、 平岡望、 水木純一郎
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光による過剰ドープ Bi2212 の常伝導状態におけるキャリア濃度の評価 (2024)
  • Author(s): 坪田悠希、 宮井雄大、 Shiv Kumar、 田中清尚、 石田茂之、 永崎洋、 中川駿吾、 柏木隆成、 有田将司、 島田賢也、 出田真一郎
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光及び逆光電子分光による電子ドープ系銅酸化物高温超伝導体NCCOの電荷揺らぎ効果の検証 (2024)
  • Author(s): 山口広、 大西祐輝、 宮井雄大、 坪田悠希、 有田将司、 田中清尚、 佐藤仁、 島田賢也、 出田真一郎
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 超過剰ドープBi2201の高分解能角度分解光電子分光：電子状態の対称性の評価 (2024)
  • Author(s): 宮井雄大、 黒澤徹、 小田研、 有田将司、 田中清尚、 出田真一郎、 島田賢也
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 放射光を用いた光電子分光法による四重ペロブスカイト酸化物 SrCu3Ru4O12の準粒子ピークの観測 (2024)
  • Author(s): 安齋太陽、 菊池泰明、 加藤夕汰、 佐藤仁、 有田将司、 山田幾也、 播木敦
  • Organizer: 2024年日本物理学会春季大会
• [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TiS2における角度分解光電子分光スペクトルの励起光エネルギー・偏光依存性 (2024)
  • Author(s): 田中宏明、 岡崎尚太、 福島優斗、 川口海周、 原沢あゆみ、 飯盛拓嗣、 小森文夫、 有田将司、 森亮、 黒田健太、 笹川崇男、 近藤猛
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Development of sample transfer system in UHV chamber for remote experiments (2023)
  • Author(s): 有田 将司、宮本 幸治、生天目 博文、島田 賢也
  • Organizer: 2023年日本表面真空学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 近藤半導体CeM2Al10(M = Ru、 Fe)における混成強度の異方性 (2023)
  • Author(s): 山岡人志、 谷田博司、 Eike F. Schwier、 Shivam Kumar、 山本義哉、 仲武昌史、 有田将司、 田島史郎、 小野寺蓮太、 西岡孝、 島田賢也、 水木純一郎
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 放射光ARPESを用いたCeCoSiのバンド構造の観測 (2023)
  • Author(s): 木村昭夫、 福島優斗、 白石海人、 河野嵩、 ヌルママト ムニサ、 有田将司、 三本啓輔、 谷田博司
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] カイラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)3Al9の角度分解光電子分光 (2023)
  • Author(s): 谷元優希美、 神森龍一、 杉本光昌、 佐藤仁、 有田将司、 Shiv Kumar、 島田賢也、 中村翔太、 大原繁男
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 不足ドープ三層系銅酸化物高温超伝導体Bi2223の超伝導ギャップと擬ギャップ (2023)
  • Author(s): 出田真一郎、 吉田鉄平、 田中清尚、 有田将司、 足立伸太郎、 山口隼平、 佐々木菜絵、 渡辺孝夫、 藤井武則、 野地尚、 石田茂之、 内田慎一、 W. O. Wang、 B. Moritz、 T. P. Devereaux、 T. K. Lee、 C. Y. Mou、 藤森淳
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光による銅酸化物高温超伝導体Bi2Sr2CaCu2O8+δの電子相図の再検討 (2023)
  • Author(s): 坪田悠希、 宮井雄大、 Shiv Kumar、 田中清尚、 石田茂之、 永崎洋、 中川駿吾、 柏木隆成、 有田将司、 島田賢也、 出田真一郎
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光および逆光電子分光により検証する銅酸化物高温超伝導体の量子電荷揺らぎによる電子自己エネルギーへの影響 (2023)
  • Author(s): 大西祐輝、 宮井雄大、 坪田悠希、 有田将司、 石田茂之、 永崎洋、 田中清尚、 島田賢也、出田真一郎
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 超過剰ドープBi2201の高分解能角度分解光電子分光：電子状態の対称性の評価 (2023)
  • Author(s): 宮井雄大、 黒澤徹、 小田研、 有田将司、 田中清尚、 出田真一郎、 島田賢也
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるBi2Sr2CaCu2O8+δの電子相図の再検討 (2022)
  • Author(s): 坪田悠希, Shiv Kumar, 宮井雄大, 田中清尚, 石田茂之, 永崎洋, 中川駿吾, 柏木隆成, 有田将司, 島田賢也, 出田真一郎
  • 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価数相転移物質YbInCu4におけるc-f混成の変化の観測 (2022)
  • Author(s): 神森龍一, 谷元優希美, 佐藤仁, 有田将司, Shiv Kumar, 島田賢也, 松本圭介, 平岡耕一
  • 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遷移金属カルコゲナイドTa2Pd(Se1-xSx)6の電子状態観測 (2022)
  • Author(s): 大槻太毅, 石田達拡, 北村未歩, 有田将司, 中埜彰俊, 丸岡うらら, 寺崎一郎, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 高圧下AuTe2の光学伝導度による研究：Te2ダイマー解消と電子状態の関係 (2022)
  • Author(s): 岡村英一, 光本祥悟, 大槻太毅, 吉田鉄平, 溝川貴司, 池本夕佳, 森脇太郎, 有田将司, 工藤一貴, 石井博文, 野原実
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 板谷亮太, 戸市裕一朗, 中西龍也, 榎原成則, 葛西健太郎, 中田慶隆, 黒田健太, 福谷圭祐, 山本勇, 有田将司, 坂本一之 (2022)
  • Author(s): 光エネルギーに依存したTlBiSe2への光誘起ドーピング効果
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会