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超高分解能角度分解光電子分光によるカゴメ超伝導体のフェルミ準位微細電子構造解明

Research Project

Project/Area Number 23KJ0099
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund
Section国内
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

加藤 剛臣  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-04-25 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsカゴメ格子 / 電荷密度波 / 角度分解光電子分光
Outline of Research at the Start

カゴメ格子は、三角形が頂点共有して規則的に配列する構造であるが、カゴメ格子ではこの幾何学的対称性に由来した多彩な量子現象の発現が理論的に予想されている。
本研究では、カゴメ格子の中でも超伝導を示す物質に焦点を当て、角度分解光電子分光装置の極低温化とレーザー光源を用いた高エネルギー分解能化によって超伝導発現機構解明の鍵となる超伝導ギャップを直接観測し、カゴメ格子超伝導体の特異な量子物性の発現機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は装置改良として、6 eV連続発振レーザー光源系の改良を行った。集光光学系を構築し、10マイクロメートルのスポットサイズを達成した。また、光路に波長板を設置し、水平および垂直方向の直線偏光と円偏光を切り替えることが可能になった。偏光可変となったことにより、円二色性測定や光電子放出過程の軌道選択則を用いたバンドの軌道の決定も可能となった。
またこれと並行して、空間分解能の高い放射光マイクロARPES装置を用い、カゴメ超伝導体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)の3物質全てについてアルカリ金属終端表面とSb終端表面のドメインを分離した電子状態観測に成功した。それぞれのドメインについて電荷密度波相における電子状態を測定した結果、アルカリ金属終端ドメインでは電荷密度波の3次元周期に由来するバンドの折り返しを示すバンド分裂が観測された一方で、Sb終端ドメインではその分裂が現れないことを見出した。このことから、3次元的電荷密度波は表面終端構造に依存しており、アルカリ金属終端ではバルクと同様の3次元周期が保たれる一方でSb終端表面ではそれが消失していることを明らかにした。また、この終端依存性はKV3Sb5、RbV3Sb5、CsV3Sb5の全てで共通の振る舞いであることを明らかにした。さらに、AV3Sb5のアルカリ金属終端ドメインにおける電子状態を比較した結果、バンド分裂が、ある特定のバンドにおいてRbV3Sb5とCsV3Sb5では現れる一方でKV3Sb5では現れないことを見出した。理論計算との比較を行い、アルカリ金属元素依存性は電荷密度波による格子歪みの3次元構造に起因しており、表面終端構造やアルカリ金属元素の種類によって3次元電荷密度波の振る舞いが敏感に変化することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は放射光マイクロARPES装置を用い、超伝導相の基盤となる電荷密度波相における電子状態を、ドメイン構造を分離して詳細に明らかにすることに成功した。AV3Sb5においては超伝導と電荷密度波は共存するため、電荷密度波相での電子状態、さらには格子歪みの3次元構造の決定は超伝導発現機解明の上で重要な知見になると考えられる。また、実験室のレーザー光源についても放射光と同レベルの微小スポット化が完了しており、さらに偏光の切り替えも可能となった。以上のことから、本研究はおおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度は超伝導状態における電子状態観測を行うため、装置改良、主に低温化を行い、レーザー光源と組み合わせることで超高分解能ARPESによる電子状態の精密測定を行う。また、元素置換試料や一軸歪み印加試料の測定を行い、カゴメ格子超伝導体におけるバンド構造と物性の関係を明らかにする。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Int'l Joint Research] 北京理工大学(中国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Surface-termination-dependent electronic states in kagome superconductors AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs) studied by micro-ARPES2023

    • Author(s)
      Kato Takemi、Li Yongkai、Liu Min、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Issue: 24 Pages: 245143-245143

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.245143

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Moire-Assisted Realization of Octahedral MoTe2 Monolayer2023

    • Author(s)
      Yasuaki Saruta, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Tappei Kawakami, Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru Fukumura, Takafumi Sato
    • Journal Title

      Advanced Science

      Volume: 10 Issue: 34 Pages: 2304461-2304461

    • DOI

      10.1002/advs.202304461

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] カゴメ金属CsV3Sb5上に成長したCs薄膜の電子状態:高分解能ARPES2024

    • Author(s)
      加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 菅原克明, 田中清尚, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Quantum well states in Cs thin films epitaxially grown on the kagome superconductor CsV3Sb52024

    • Author(s)
      Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Katsuaki Sugawara, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
    • Organizer
      APS March Meeting 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum Well States in Alkali-Metal Thin Films Grown on Kagome Metals2023

    • Author(s)
      Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Katsuaki Sugawara, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
    • Organizer
      The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electronic states of kagome superconductors studied by micro-ARPES2023

    • Author(s)
      Takemi Kato
    • Organizer
      5th Polish-Japanese Workshop on Spintronics
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2023-04-26   Modified: 2024-12-25  

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