電子相関と乱れによる低エネルギー励起構造の実験的決定

• Project/Area Number: 21K13882
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 大槻 太毅 京都大学, 人間・環境学研究科, 助教 (80780957)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 強相関電子系 / アンダーソン局在 / 光電子分光 / １粒子スペクトル関数 / 遷移金属

Outline of Research at the Start

物質の電気伝導性は物性物理学において最も基礎的な問題の一つである。物質中では電子同士は相関し合い、特に強い電子間反発は伝導電子を局在化させる。一方で、不純物などによる乱れも量子力学的な干渉効果を引き起こし、伝導電子を局在化させる。これらの絶縁体は電気を流さないという共通の性質を持つが１粒子励起スペクトルに大きな違いが存在し、両者が共存する系においての理解はほとんど進んでいない。そこで本研究では光電子分光法を用いて弱相関から強相関まで多体電子相関が働く系における乱れの効果を１粒子励起スペクトルの観点から明らかにし、電子相関と乱れの共存する系における電気伝導機構の構築を目的としている。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では電子相関と乱れが共存する系において１粒子励起スペクトルの直接観測を行い、電子相関と乱れが引き起こす特徴的な電子状態を明らかにすることを目的としている。研究計画に基づき、本年度は特に次の研究成果を得た。

（１）微量不純物添加による金属絶縁体転移Ca3Ru2O7については角度分解光電子分光(ARPES)、硬Ｘ線光電子分光(HAXPES)を行い、これまでの再現性確認とより詳細な組成依存性を調べた。その結果、不純物添加により電気抵抗率の著しく増加した低温絶縁相においても有限のスペクトル強度がフェルミ準位直上に観測された。さらにHAXPES測定を行うことでARPESから得られた電子状態がバルク由来であることを確認した。これらの結果は乱れに起因した絶縁体状態におけるスペクトル形状を直接観測したことを示唆している。
（２）擬一次元カルコゲナイド化合物Ta2PdSe6においてTaサイト及びSeサイトへ不純物効果をHAXPES及びARPESを行い調べた。HAXPESから各元素への価数状態を評価し、ARPESからはフェルミ面とバンド分散の観測に成功した。これらの電子状態の系統的な組成依存性から、輸送現象に対応したスペクトル形状を見出した。
（３）透明半導体In2O3に対する遷移金属置換効果を調べた。Mn置換によるホールドープ効果とフェルミ準位近傍に形成されるMnの部分状態密度の抽出に成功した。この成果は学術論文として国際誌に出版した。
（４）n型半導体である半導体CdSnAs2は電気抵抗率が温度に依存せず、強い乱れの効果が期待される。そこでこの物質のARPESを行い、非常に小さいフェルミ面とそれを構成する電子バンドの観測に成功した。この結果は学術論文として国際誌に出版した。

Research Products

• [Journal Article] Tiny Fermi surface with an extremely light mass of ternary chalcopyrite CdSnAs2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2024)
  • Author(s): Ootsuki Daiki、Takatsu Hiroshi、Funada Kohei、Ishida Tatsuhiro、Arita Masashi、Ideta Shinichiro、Tanaka Kiyohisa、Kageyama Hiroshi、Yoshida Teppei
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 8 Issue: 4 Pages: 044604-044604
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.8.044604
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Mn substitution on the electronic structure for Mn-doped indium-tin oxide films studied by soft and hard x-ray photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): Ootsuki Daiki、Ishida Tatsuhiro、Tsutsumi Naoya、Kobayashi Masaki、Inagaki Kohdai、Yoshida Teppei、Takeda Yukiharu、Fujimori Shin-ichi、Yasui Akira、Kitagawa Saiki、Nakamura Toshihiro
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 7 Issue: 12 Pages: 124601-124601
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.124601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure and anharmonic phonon mode in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">BaIr</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ge</mml:mi><mml:mn>7</mml:mn></mml:msub></mml:math> with two-dimensional Ba-Ge networks studied by photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): Ishida Tatsuhiro、Ootsuki Daiki、Ishida Shigeyuki、Kitamura Miho、Horiba Koji、Takagi Yasumasa、Yasui Akira、Ikenaga Eiji、Kawashima Kenji、Yanagi Yousuke、Iyo Akira、Eisaki Hiroshi、Yoshida Teppei
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 4 Pages: 045116-045116
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.045116
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metallic Surface State in the Bulk Insulating Phase of Ca_2?<i>_x</i>Sr<i>_x</i>RuO₄ (<i>x</i> = 0.06) Studied by Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Ootsuki Daiki、Hishikawa Ayuko、Ishida Tatsuhiro、Shibata Daisuke、Takasuka Yukie、Kitamura Miho、Horiba Koji、Takagi Yasumasa、Yasui Akira、Sow Chanchal、Yonezawa Shingo、Maeno Yoshiteru、Yoshida Teppei
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 11 Pages: 114704-114704
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.114704
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pressure Induced Spectral Redistribution due to Te2 Dimer Breaking in AuTe2 (2021)
  • Author(s): D. Ootsuki, H. Okamura, S. Mitsumoto, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, M. Arita, T. Yoshida, K. Kudo, H. Ishii, M. Nohara, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 11
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.114705
  • NAID: 210000159424
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 硬X線光電子分光によるIn1.95-xMn0.05SnxO3薄膜へMn置換効果の研究 (2024)
  • Author(s): 堤直也, 石田達拡, 大槻太毅, 保井晃, 北川彩貴, 中村敏浩, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 希薄磁性半導体In2-x-yMnxSnyO3の光電子分光 (2024)
  • Author(s): 堤 直也, 石田 達拡, 大槻 太毅, 稲垣 洸大, 小林 正起, 竹田 幸治, 藤森 伸一, 高 木 康多, 保井 晃, 北川 彩貴, 中村 敏浩, 吉田 鉄平
  • 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] Photoemission spectroscopy of diluted magnetic semiconductor In2-x-yMnxSnyO3 (2023)
  • Author(s): Naoya Tsutsumi, Tatsuhiro Ishida, Daiki Ootsuki, Kohdai Inagaki, Masaki Kobayashi, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Yasumasa Takagi, Akira Yasui, Saiki Kitagawa, Toshihiro Nakamura, Teppei Yoshida
  • Organizer: MRM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光電子分光による希薄磁性半導体In2-x-yMnxSnyO3の電子状態研究 (2023)
  • Author(s): 堤直也, 石田達拡, 大槻太毅, 稲垣洸大, 小林正起, 竹田幸治, 藤森伸一, 高木康多, 保井晃, 北川彩貴, 中村敏浩, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Molecular-like cluster formation of calaverite AuTe2 studied by photoemission and infrared spectroscopies (2023)
  • Author(s): Daiki Ootsuki
  • Organizer: Optics & Photonics International Congress (OPIC2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 乱れに起因するルテニウムナノシートの金属絶縁体転移 (2023)
  • Author(s): 大槻太毅
  • Organizer: 放射光学会若手部会 オンライン研究会 －放射光分光を用いた低次元電子状態研究とその展望－
  • Invited
• [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] Metallic surface state of Ca2-xSrxRuO4 studied by photoemission spectroscopy (2022)
  • Author(s): Daiki Ootsuki
  • Organizer: Optics & Photonics International Congress (OPIC2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ruナノシートの光電子分光：基板依存性 (2021)
  • Author(s): 伊東和輝, 大槻太毅, 石田達拡, 三田将隆, 宇陀愼太郎, 小寺健二郎, 木内久雄, 豊田智史, 福田勝利, 堀場弘司, 組頭広志, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 励起子絶縁体候補物質Ta2NiSe5の共鳴光電子分光 (2021)
  • Author(s): 三田将隆, 湯澤祐介, 石田達拡, 宇陀慎太郎, 伊東和輝, 大槻太毅, 北村未歩, 中埜彰俊, 丸岡うらら, 寺崎一郎, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 層状遷移金属カルコゲナイドTa2PdSe6の角度分解光電子分光 (2021)
  • Author(s): 大槻太毅、石田達拡、三田将隆、伊藤和輝、宇陀慎太郎、北村未歩、中埜彰俊、丸岡うらら、寺崎一郎、吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Thickness Dependent Metal-Insulator Transition in Ru Nanosheets Probed by Low-Energy Inverse Photoelectron Spectroscopy (2021)
  • Author(s): K. Kawamura, D. Ootsuki, T. Ishida, T. Yoshida, M. Morita, K. Fukuda, and H. Yoshida
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research