2016 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of novel topological phases based on symmetry
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
15H05853
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10361065)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬川 耕司 京都産業大学, 理学部, 教授 (20371297)
柏谷 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 首席研究員 (40356770)
塚崎 敦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50400396)
田仲 由喜夫 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40212039)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 対称性 / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、分子線エピタキシー装置で作製したトポロジカル絶縁体(TI)薄膜をスピン分解ARPES装置に真空一貫搬送するシステムを確立した。さらに、スキャニングSQUIDによりエッジ電流を検出するシステムの開発を行った。これらの装置整備に加えて、(1)トポロジカル量子相転移の解明、(2)ディラック・ワイル半金属相の実現、(3) 表面・界面のディラック電子制御による新奇物性発現、(4)トポロジカル超伝導体の開発と検証、(5)エッジ流・奇周波数電子対・マヨラナ準粒子の検証、の5つの項目を中心に研究を行った。
(1)および(2)： 空間反転対称性を破るワイル半金属NbPのARPES実験を行い、表面電子構造がNbおよびP終端面で劇的に変化し、各終端面におけるフェルミ面の交点位置からワイルノードの位置とフェルミアークを特定した。Siの正方格子を有するHfSiSの電子構造を決定し、グライド対称性によって保護された線ノードとディラックノードアーク表面状態を明らかにした。
(3) ：(Bi,Sb)2Se3の薄膜合成とARPES・輸送特性実験を行った結果、Sb組成の増加に伴い、フェルミ準位が価電子帯にシフトする様子を観測し、ディラック点にフェルミ準位を制御できることを示した。また、電流-スピン変換を実現するためのTIデバイスを作製し、電流と強磁性電極の磁化に応じた信号との関係性を明らかにした。
(4)および(5): Sr2RuO4とNbのハイブリッド構造による超伝導ループとジョセフソン接合を作製し、dc-SQUIDの干渉パターンから超伝導状態に関する情報を抽出した結果、干渉パターンの全温度領域の特性を説明することに成功した。また、2重量子ドット・超伝導接合系で、ドットのエネルギー準位、ドットと電極・超伝導体の結合を制御することによって、誘起される奇周波数クーパー対を制御できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
スピン分解光電子分光装置と分子線エピタキシー薄膜作製装置との真空一貫搬送システムの構築も順調に進み、本年度は既にいくつかのトポロジカル絶縁体薄膜についてARPESによるフェルミ準位近傍における電子状態の可視化に成功した。また、トポロジカル線ノード半金属などの新奇トポロジカル物質やトポロジカル超伝導候補物質などにおいても、これまで理論的に予想されなかった特異な表面状態の観測など、興味深い成果が得られている。また、超伝導接合系における奇周波数クーパー対の理論においても大きな進展が見られた。以上の事から、研究が概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
対称性に基づいた新奇なトポロジカル量子相の探索をより一層加速するために、研究実績の概要で述べた(1)-(5)の項目について、今後以下の研究を推進する。
(1),(3)：今年度構築した真空一貫搬送システムをフルに活用して、 化学組成を系統的に変化させたテトラジマイト系の高品質MBE単結晶薄膜について、その電子状態を高分解能ARPESで評価し、トポロジカル量子相転移の制御やディラックキャリアの制御を行い、新奇量子現象の発現やデバイス応用に資する電子構造を確立する。また、近接場光学顕微鏡などを用いてエッジ電子状態の解明を行う。今後の精密組成制御と物性理解によって、トポロジカル相転移の制御手法への指針が得られると期待される。
(2)：今年度着手したトポロジカル半金属の探索をさらに強力に推進する。具体的には、いくつかのトポロジカル線ノード半金属候補物質において、その電子状態、とりわけフェルミ準位近傍におけるバンド分散や状態密度を決定する。また、ディラック半金属に強磁性を誘起して時間反転対称性を破り、単純な電子構造を持つワイル半金属の実現を目指す。これらにより、トポロジカル半金属の表面・バルク電子構造と結晶対称性との関係を明らかにする。
(4), (5)：銅酸化物高温超伝導体やBCS超伝導体の上にスピン軌道相互作用の強い金属あるいは２次元トポロジカル絶縁体を接合して近接効果による超伝導を誘起し、先端分光によって電子状態を精密観測することで、マヨラナ準粒子形成の母体となる電子構造を確立する。
また、ディラック・ワイル電子系および超伝導接合系などにおける低エネルギー励起を記述する微視的理論を構築する。
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[Journal Article] Direct Observation of Nonequivalent Fermi-Arc States of Opposite Surfaces in Noncentrosymmetric Weyl Semimetal NbP2016
Author(s)
S. Souma, Z. Wang, H. Kotaka, T. Sato, K. Nakayama, Y. Tanaka, H. Kimizuka, T. Takahashi, K. Yamauchi, T. Oguchi, K. Segawa, Y. Ando
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Journal Title
Phys.l Rev. B
Volume: 93
Pages: 161112(R)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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