Band-filling control of topological semimetals having a 2D square lattice structure

Research Project

Project/Area Number	21K03472
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	Okayama University
Principal Investigator	近藤隆祐岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (60302824)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	トポロジカル半金属物 / 正四角格子 / 価数制御 / ディラック電子 / 電荷密度波 / トポロジカル半金属 / バンドフィリング制御 / 伝導特性 / バンド交差点 / 正四角格子構造
Outline of Research at the Start	トポロジカル半金属（TSM）は，その電子構造におけるバンド交差点の波数空間における形状が点状や線状になるという特徴を持っているが，これらのバンド交差点とフェルミ準位が一致している理論的に理想的なTSM 物質は，報告されているものの一部でしかない．本研究は，ZrSiS型結晶構造をもつTSM候補物質群を対象に，バンドフィリング制御法を確立し，これを用いてフェルミ準位とバンド交差点が一致した試料を作製・測定することにより，当該物質中のディラック電子の伝導特性を明らかにする．
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は，ZrSiS構造をもつトポロジカル半金属物質群を対象として，バンド交差点に対してフェルミ準位を制御した試料を作製し測定することにより，当該物質のディラック電子の伝導特性を明らかにすることである．初年度は，主にランタノイド元素を含む LaTeSb 系及び LaTeBi 系の試料作成を行い，主に，Teが多いLaTeSb系で発現する電荷密度波（CDW）の波数より，当初の目論見の通り，連続的なバンドフィリング制御が出来ることを明らかにした．この結果を踏まえて，今年度は，①ランタノイド元素を非磁性のLaからCe, Pr, Ndといった磁性元素に拡張する，② 電荷密度波が報告されていないZrSiS系との比較を行うため，ZrSnTe系のバンドフィリング制御手法の確立を目指す，を行った．この系は，ランタノイドと化学的性質が似ているとされるイットリウム（Y）を含んだ YSbTe系のYとSbを周期律表において，それぞれ，右と左に一つ移動した系に相当しているため，特にこれを選択している． ①については，Ln=Ce, Pr, Ndを用いて，LnTe_1+xSb(Bi)_1-x:-0.2≦x≦0.2の試料を作成し，作成全域で単結晶を得ることが出来た．Ln=Laにおいては，xを変化させていくと，CDWを伴った正四角格子から正四角格子に歪が生じた2層構造に変化することを見出していたが，それよりも原子半径の小さいこれらの元素では，CDWを伴った正四角格子相と2層構造相の間に，CDWのない正四格子相が現れること，また，原子半径が小さくなるにつれて，その領域が広がることを見出した． ②については，仕込み組成を変化させるに従って，電気抵抗の振る舞いが連続的に変化する試料は得られたが，CDW等の構造的な観点からの変化は見い出せず，また，格子定数の変化もLnTeSb系に比べると非常に小さいことが分かった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 試料作製に関しては順調に進展しているが，ヘリウム不足・高騰により，当該物質のディラック電子の伝導特性を明らかにする実験のみならず，作成した試料のホール効果等の基本的な電気磁気測定すら行えていないため，遅れているとした．
Strategy for Future Research Activity	GM冷凍機を用いて2K以下の低温環境を実現する装置を製作中であり，これが完成すれば，作成した試料のホール効果等の基本的な電気磁気測定が測定可能になる．