電場印加光電子分光による強相関電子系の非平衡状態の解明

• Project/Area Number: 23K20229
• Project/Area Number (Other): 20H01861 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 吉田 鉄平 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (10376600)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2020: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
• Keywords: 強相関電子系 / 光電子分光 / 金属絶縁体転移 / モット転移

Outline of Research at the Start

強相関電子系の電気伝導には、非線形伝導や電気抵抗スイッチング現象、電荷密度波の並進運動など、古典的な輸送現象の枠組みを超えた新奇な現象が数多く観測されている。しかし、それらの機構は明らかになっていない。その中で、ルテニウム酸化物は、非常に小さい臨界電場で絶縁体から金属へ転移し、直流電場による多彩な物性を示し注目を集めている。
本研究課題では、モット絶縁体に電流を流した非平衡電子状態はどのように理解されるか、という根源的な問いにたいして、電場印加下の光電子分光により、フェルミ準位付近の電子状態を直接観測し、これらの新奇な伝導現象の解明を行う。

Outline of Annual Research Achievements

強相関電子系の電気伝導には、非線形伝導や電気抵抗スイッチング現象、電荷密度波の並進運動など、古典的な輸送現象の枠組みを超えた新奇な現象が数多く観測されている。しかし、それらの機構は明らかになっていない。その中で、ルテニウム酸化物は小さい臨界電場で絶縁体-金属転移を示し、直流電場による物性を示し注目を集めてきた。本研究課題では、強相関電子状態に電流を流した非平衡電子状態の知見を深めることを目的として、電場印加下の電子状態を光電子分光により観測し、新奇な伝導現象の解明を試みる。
非線形伝導の特徴を持つ強相関電子系について光電子分光による電子状態の観測を行った。金属絶縁体転移を起こすルテニウム酸化物Ca3Ru2-xTixO7の角度分解光電子分光において、転移温度以下では折りたたまれた2回対称のフェルミ面が観測された。低温の絶縁体相においてもフェルミ準位を横切る分散が観測されたが、フェルミ面の面積は非常に小さいことが分った。新奇な電子-格子相互作用を持つ物質として、籠状構造を持つBaIr2Ge7のマイクロフォーカス角度分解光電子分光を行い、電子構造のドメインが存在することを明らかにした。これらのドメインは2種類の籠構造に由来すると考えられる。電子-格子相互作用が強い強相関電子系の物質として、銅酸化物高温超伝導体の硬X線光電子分光を行った。その結果、内殻スペクトルのシフト量から化学ポテンシャルの組成依存性を精度良く求めることに成功した。電子比熱係数などの熱力学量と比較し、擬ギャップ相の電子状態の特徴について考察した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

非線形伝導の特徴を持つ強相関電子系の新奇な電子状態について、ルテニウム酸化物をはじめ、籠状物質、銅酸化物高温超伝導体などで、新たな知見が得られている。強相関電子系における電子格子相互作用が強い物質の電子構造の理解が進展している。

Strategy for Future Research Activity

ルテニウム酸化物の電子構造については、電場下で測定されたスペクトルおよび角度分解光電子分光の結果の解釈を進める。ルテニウム酸化物以外の電子格子相互作用の強い強相関電子系についても、引き続き、準粒子構造について特徴を調べ、格子振動が果たす役割について理解を深める。

Research Products

• [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
• [Presentation] 硬X線光電子分光を用いた La2-xSrxCuO4における化学ポテンシャルシフトの研究 (2024)
  • Author(s): 長本備大、 石田達拡、大槻太毅、吉田鉄平、保井晃、高木康多、藤森淳、小宮世紀、安藤陽一
  • 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] 硬 X 線光電子分光を用いた La2-xSrxCuO4の化学ポテンシャルシフト による電子構造の研究 (2024)
  • Author(s): 長本備大、 石田達拡、大槻太毅、吉田鉄平、保井晃、高木康多、藤森淳、小宮世紀、安藤陽一
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] 硬 X 線光電子分光による In1.95-yMn0.05SnyO3薄膜への 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] Electron-phonon coupling in correlated electron systems revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): Teppei Yoshida
  • Organizer: Superstripes 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] La2-xSrxCuO4における化学ポテンシャルシフトのドーピング依存性及び温度依存性 (2023)
  • Author(s): 長本備大、 石田達拡、大槻太毅、吉田鉄平、保井晃、高木康多、藤森淳、小宮世紀、安藤陽一
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Electronic Structure and Anharmonic Phonon Mode in BaIr 2 Ge7 with Two-dimensional Networks Studied by Photoemission Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Tatsuhiro Ishida, Daiki Ootsuki, Shigeyuki Ishida, Miho Kitamura, Koji Horiba, Yasumasa Takagi, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Kenji Kawashima, Yousuke Yanagi, Akira Iyo, Hiroshi Eisaki, Teppei Yoshida
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Doping and temperature dependence of core-level shift in La2-xSrxCuO4 studied by hard x-ray photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): Minato Nagamoto, Tatsuhiro Ishida, Daiki Ootsuki, Yasumasa Takagi, Akira Yasui, Atsushi Fujimori, Seiki Komiya, Yoichi Ando, Teppei Yoshida
  • Organizer: MRM2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photoemission spectroscopy of dilute 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, and 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] ARPESによる電子格子相互作用の研究 (2023)
  • Author(s): 吉田鉄平
  • Organizer: ナノテラスARPESシンポジウム ーナノ集光で拓くサイエンスの新展開ー
  • Invited
• [Presentation] Electron-phonon coupling in correlated electron systems revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2023)
  • Author(s): Teppei Yoshida
  • Organizer: The 27th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [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（2021年）(オンライン)
• [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, 伊東和輝, 宇陀愼太郎, 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（2021年）(オンライン)
• [Presentation] 籠状超伝導体BaIr2Ge7の電子構造における電子-格子相互作用 (2021)
  • Author(s): 石田達拡, 大槻太毅, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 保井晃, 池永英司, 石田茂之, 伊豫彰, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会（2021年）(オンライン)
• [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（2021年）(オンライン)
• [Presentation] 最適ドープBi2Sr2CaCu2O8+δの正常・異常自己エネルギー解析 (2021)
  • Author(s): 宇陀愼太郎, 大槻太毅, 山脇一真, 有田将司, 生天目博文, 出田真一郎, 田中清尚, 笹川崇男, 藤森淳, 組頭広志, 小野寛太, 吉田鉄平
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会（2021年）(オンライン)
• [Presentation] Observation of Non linear Conductivity Phenomena by Synchrotron X ray Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Daiki Ootsuki
  • Organizer: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment 2020 (LSC2020)(オンライン)
  • Invited