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高分解能スピン分解ARPESによるトポロジカル絶縁体における微細電子構造の研究

Publicly Offered Research

Project AreaTopological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
Project/Area Number 23103501
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

佐藤 宇史  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10361065)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2013-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2012: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2011: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords光電子分光 / トポロジカル絶縁体
Outline of Annual Research Achievements

スピン分解光電子分光装置のエネルギー分解能を向上するために、高輝度低エネルギー紫外光を発生する励起光源系と、光電子のスピン情報を得るスピン分解ミニモット検出器の最終調整を行った。 建設改良を行ったスピン分解光電子分光装置および高輝度放射光施設を用いて、IV-VI族半導体SnTeのARPES実験を行った結果、SnTeのトポロジカル電子状態は、表面ブリルアンゾーンにおいて(110)鏡映面に中心を持つ「二重ディラック錐」表面状態で特徴付けられることが明らかになった。このディラック錐構造は、Bi2Se3などの典型的なトポロジカル絶縁体が1個のディラック錐を有するのとは異なり、トポロジカル的に明確に区別される。得られた観測結果が、理論的に提案された「トポロジカルクリスタル絶縁体」の電子状態と非常に類似していることから、SnTeではトポロジカルクリスタル相が実現していると結論した。一方で、同じ結晶構造のPbTeでは、表面状態が全く観測されず、Pb1-xSnxTe固溶系におけるトポロジカル量子相転移の発現を示唆した。また、トポロジカル絶縁体Bi2Se3層の間にPbSe層を挟んだヘテロ構造を有するバルク物質(PbSe)5(Bi2Se3)3m (m = 1, 2, ∞)の電子状態をARPESで調べた結果、ディラック錐の形状がBi2Se3の層数mに依存して劇的に変化することを見出した。このことから、トポロジカル絶縁体におけるディラック電子の質量獲得には、バルクにおけるヘテロ構造の制御が有効であると結論した。 本研究全体を総括し、トポロジカル物質の物性解明やデバイス応用のためには、ディラックコーンに質量を付与しそのキャリア濃度の調整をすることが本質的に重要で、かつ、スピンに依存した電子状態を高精度で決定する事がそれらの問題の解決に直結していると結論した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (41 results)

All 2013 2012 2011

All Journal Article (13 results) (of which Peer Reviewed: 13 results) Presentation (28 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Tunability of the k-space location of the Dirac cones in the topological crystalline insulator Pb1-xSnxTe2013

    • Author(s)
      Y. Tanaka et al.
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: in press

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  • [Journal Article] Anomalous Rashba effect of Bi(111) thin film studied by high-resolution spin-resolved ARPES2012

    • Author(s)
      A. Takayama et al.
    • Journal Title

      J. Vac. Sci. Technol. A

      Volume: 30

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  • [Journal Article] Spin Polarization of Gapped Dirac Surface States Near the Topological Phase Transition in TiBi(S_<1-x>Sr_x)_22012

    • Author(s)
      S. Souma, et al.
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 109 Issue: 18 Pages: 186804-1

    • DOI

      10.1103/physrevlett.109.186804

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  • [Journal Article] Experimental realization of a topologicalcrystalline insulator in SnTe2012

    • Author(s)
      Y. Tanaka, Z. Ren, T. Sato, K. Nakayama, S. Souma, T. Takahashi, K. Segawa, Y. Ando
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: 8 Issue: 11 Pages: 800-803

    • DOI

      10.1038/nphys2442

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  • [Journal Article] Manipulation of Topological States and the Bulk Band Gap Using Natural Heterostructures of a Topological Insulator2012

    • Author(s)
      K. Nakayama, K. Eto. Y. Tanaka, T. Sato, S. Souma, T. Takahashi, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 109 Issue: 23

    • DOI

      10.1103/physrevlett.109.236804

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    • Author(s)
      T.Arakane, et al
    • Journal Title

      Nat.Commun.

      Volume: 3

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    • Author(s)
      Y.Tanaka, et al
    • Journal Title

      Phys.Rev.B

      Volume: 85 Issue: 12

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.125111

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    • Author(s)
      佐藤宇史, ら
    • Journal Title

      日本物理学会誌

      Volume: 67 Pages: 184-187

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    • Author(s)
      A.Takayama, et al
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 106 Issue: 16

    • DOI

      10.1103/physrevlett.106.166401

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  • [Journal Article] Evolution of surface states in Bi_<1-x>Sb_x alloys across the topological phase transition2011

    • Author(s)
      H.Guo, et al
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 83 Issue: 20 Pages: 582-584

    • DOI

      10.1103/physrevb.83.201104

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    • Author(s)
      S.Souma, et al
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 106 Issue: 21

    • DOI

      10.1103/physrevlett.106.216803

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    • Author(s)
      T.Sato, et al
    • Journal Title

      Nat.Phys.

      Volume: 7 Pages: 840-844

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  • [Journal Article] Direct Observation of the Topological Surface States in Lead-Based Ternary Telluride Pb(Bi_<1-x>Sb_x)_2Te_42011

    • Author(s)
      S.Souma, K.Eto, M.Nomura, K.Nakayama, T.Sato, T.Takahashi, Kouji Segawa, Yoichi Ando
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: Vol.108 Issue: 11 Pages: 116801-15

    • DOI

      10.1103/physrevlett.108.116801

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  • [Presentation] 角度分解光電子分光でみた新型トポロジカル物質の電子状態2013

    • Author(s)
      佐藤宇史
    • Organizer
      日本物理学会第68回春季大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
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  • [Presentation] Pb系トポロジカル絶縁体のフェルミ面ワーピング効果:スピン分解ARPES2013

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      野村円香
    • Organizer
      日本物理学会第68回春季大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
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    • Author(s)
      田中祐輔
    • Organizer
      日本物理学会第68回春季大会
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      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
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  • [Presentation] トポロジカル絶縁体のバルクへテロ構造制御によるディラックコーンの操作2013

    • Author(s)
      中山耕輔
    • Organizer
      日本物理学会第68回春季大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
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      正満拓也
    • Organizer
      日本物理学会第68回春季大会
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      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
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  • [Presentation] ARPES studies of Dirac-cone surface states in topological insulators2012

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      Takafumi Sato
    • Organizer
      5th Indo-Japan Conference on New functionalities in Electronic and Magnetic Materials
    • Place of Presentation
      Bangalore, India
    • Year and Date
      2012-10-18
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  • [Presentation] Sb薄膜のスピン分解ARPES2012

    • Author(s)
      高山あかり
    • Organizer
      日本物理学会第67回秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-09-18
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  • [Presentation] Pb系トポロジカル絶縁体のスピン分解ARPES2012

    • Author(s)
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    • Organizer
      日本物理学会第67回秋季大会
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      横浜国立大学
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      2012-09-18
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      相馬清吾
    • Organizer
      日本物理学会第67回秋季大会
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      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-09-18
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      佐藤宇史
    • Organizer
      日本物理学会第67回秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-09-18
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  • [Presentation] CuxBi2Se3における多体相互作用: 高分解能ARPES2012

    • Author(s)
      田中祐輔
    • Organizer
      日本物理学会第67回秋季大会
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    • Year and Date
      2012-09-18
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      小松誠
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      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-09-18
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    • Author(s)
      Takafumi Sato
    • Organizer
      Low-Energy Electrodynamics of Solids conference (LEES2012)
    • Place of Presentation
      Napa, USA
    • Year and Date
      2012-07-23
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    • Author(s)
      小松誠
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      関西学院大学
    • Year and Date
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    • Year and Date
      2012-03-26
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  • [Presentation] Cu_xBi_2Se_3の高分解能ARPES:Cu濃度依存性2012

    • Author(s)
      田中祐輔
    • Organizer
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    • Place of Presentation
      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-26
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  • [Presentation] トポロジカル絶縁体Pb(Bi_<1-x>Sb_x)_2Te_4の高分解能ARPES2012

    • Author(s)
      相馬清吾
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      日本物理学会第67回年次大会
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      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-25
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    • Author(s)
      荒金俊行
    • Organizer
      日本物理学会第67回年次大会
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      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-25
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      高山あかり
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      関西学院大学
    • Year and Date
      2012-03-24
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  • [Presentation] トポロジカル絶縁体の高分解能角度分解光電子分光2012

    • Author(s)
      佐藤宇史
    • Organizer
      第29回PFシンポジウム
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場
    • Year and Date
      2012-03-15
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    • Author(s)
      佐藤宇史
    • Organizer
      物性研究所ISSPワークショップ
    • Place of Presentation
      東京大学物性研究所
    • Year and Date
      2012-02-23
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    • Author(s)
      S.Souma
    • Organizer
      The 2012 WPI-AIMR annual workshop
    • Place of Presentation
      Sendai International Center
    • Year and Date
      2012-02-20
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  • [Presentation] Anomalous Rashba effect of Bi(111) thin film studied by high-resolution spin-resolved ARPES2012

    • Author(s)
      A.Takayama
    • Organizer
      39th Conference on the Physics and Chemistry of Surfaces and Interfaces
    • Place of Presentation
      Santa Fe, USA
    • Year and Date
      2012-01-22
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  • [Presentation] Topological quantum phase transition of TlBi(S_<1-x>Se_x)_2 studied by ARPES2011

    • Author(s)
      S.Souma
    • Organizer
      International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
    • Place of Presentation
      Laforet Biwako
    • Year and Date
      2011-11-01
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  • [Presentation] 新トポロジカル絶縁体TlBiSe_2の高分解能ARPES2011

    • Author(s)
      相馬清吾
    • Organizer
      日本物理学会第66回年次大会
    • Place of Presentation
      富山大学
    • Year and Date
      2011-09-26
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    • Author(s)
      高坂研一郎
    • Organizer
      日本物理学会第66回年次大会
    • Place of Presentation
      富山大学
    • Year and Date
      2011-09-26
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  • [Presentation] Bi(111)表面における特異なRashba効果:高分解能スピン分解ARPES2011

    • Author(s)
      高山あかり
    • Organizer
      日本物理学会第66回年次大会
    • Place of Presentation
      富山大学
    • Year and Date
      2011-09-26
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  • [Presentation] タリウム系トポロジカル絶縁体の高分解能ARPES2011

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      小松誠
    • Organizer
      日本物理学会第66回年次大会
    • Place of Presentation
      富山大学
    • Year and Date
      2011-09-25
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Published: 2011-04-06   Modified: 2018-03-28  

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