2015 Fiscal Year Annual Research Report
スピン軌道相互作用とヤンテラー効果が競合する遷移金属化合物の電子状態と光制御
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14J07601
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉本 拓也 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 軌道縮退 / 層状物質 / 鉄系超伝導体 / BiS2系超伝導体 / 光電子分光 / X線吸収分光 / EXAFS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
格子変形を伴う反強磁性と高温超伝導を示す鉄系超伝導体のFe(Se,Te)について、広島大学のレーザー励起光を使用した超光分解能角度分解光電子分光(ARPES)実験を行った。これまで論争中であったブリルアンゾーンのゾーンセンターでのFe 3d yz/zx軌道縮退を確認することができた。
また、新超伝導体として注目を集めているBiS2系超伝導体RE(O,F)BiS2については、強磁性と超伝導が共存しているRE=Ceについて研究を行った。BiS面の電子状態は、昨年度、偏光依存角度分解光電子分光法により軌道分離に成功し、大きな反響を得たが、一方でCeの電子状態は局在的であるか価数揺動的かで論争となっていた。そこでCeの電子状態について詳細に調べるため、単結晶についてフランスの放射光施設ESRFの位置分解XANES beamlineにてCe L3 X線吸収分光を行い、広島大学放射光施設HiSOR BL-1にてCe 4f-4d共鳴光電子分光を行い、Ce L3 X線吸収分光の結果についてAnderson不純物模型計算を組み合わせ論文を執筆し投稿した。我々は、Ce3+/4+を X線吸収分光により確認し、価数揺動的であることを確認した一方で、共鳴光電子分光からは、伝導電子とf電子の混成がなく、f電子は局在的であることを発見した。つまり、この系のCeの価数状態は、従来の価数揺動的な描像は当てはまらない新しいタイプの価数状態であることを発見した。
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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
研究の目的は、軌道縮退を持つ層状鉄系超伝導体とBiS2系超伝導体の電子構造と局所結晶構造を明らかにすることである。特に、鉄系超伝導体は、その中でも最もシンプルな結晶構造を有し格子変形を伴う反強磁性を示すFe(Se,Te)に着目し、BiS2系超伝導体は、LaOFeAsと類似した結晶構造を持つREOBiS2（REは希土類元素）に着目して研究を遂行している。鉄系超伝導体の中で最も大きな論争となっている問題の一つが、ブリルアンゾーンのゾーンセンターでのyz/zx軌道の軌道状態である。この軌道状態を解明し、それとスピン軌道相互作用との関連の考察ができれば、研究目的はある程度達成されたと言える。あと1年で結論まで持ってゆくことは可能であろう。またBiS2系超伝導体に関しては、Ceの価数状態とF-dopingが電子状態に与える影響、強磁性と超伝導発動との関連、局所構造変化、BiS2層での軌道状態（高対称性線上での電子状態の低次元性）、Ceの詳細な電子状態と新たな価数状態の発見など、新規超伝導体としてBiS2系超伝導体が発見されてから、多くのことを解明してきた。再現性確認のための追加実験などは残っているが、おおむね研究目的は達成されている。よって、現在までの進捗状況は、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
三年前の計画では、BiS2系超伝導体の記載は計画にはなかったが、2012年に発見され、その結晶構造が鉄系超伝導体や銅酸化物高音超伝導体との類似性から高い注目を集め、私も研究に参加し、私の博士課程での研究テーマの大きな部分を占めるようになった。私の研究テーマは軌道自由度を有する層状物質であるが、研究を進めてゆく中で、鉄系超伝導体（計画通り）とBiS2系超伝導体（当初の計画には含まれていなかった）となった。鉄系超伝導体に関しては、同研究グループの学生がスピン分解光電子分光により、Fe(Se,Te)が面内でスピン分極を起こしていることがわかった。これを踏まえて昨年得られた超高分解能光電子分光の結果を再考察する必要がある。また、スピン軌道相互作用が効いていることがわかったので、多軌道d-p型ハミルトニアンに非制限ハートリーフォック近似を適用し状態密度やバンド分散を計算し、スピン軌道相互作用が与える影響について考察する。それに加え、この系では鉄サイトに他の遷移金属不純物を入れると異方性が増すという研究結果がある。前述の多軌道d-p型ハミルトニアンに非制限ハートリーフォック近似を適用し、スーパーセルを用意しそこに一部鉄サイトを他の遷移金属に置換することにより、実験の系を仮想的に再現する。そしてバンド分散や状態密度、スピンなどの情報が不純物置換によりどのように変化するかを系統的に調べる。BiS2系超伝導体に関しては、RE(O,F)BiS2（REは希土類元素）の広域X線吸収微細構造（EXAFS）を用いた局所構造解析を進めてゆく。この系は純粋なab面内の均一/不均一性のRE依存性を解明する事が超伝導発現機構やphonon/polaronとの関連を明らかにできる可能性がある。それを解明するためにEXAFSの第一人者であるローマ大学サイニ准教授の元で今年度研究予定である。
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Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Fermi surfaces and orbital polarization in superconducting CeO0.5F0.5BiS2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy2015
Author(s)
T. Sugimoto, D. Ootsuki, C. Morice, E. Artacho, S. S. Saxena, E. F. Schwier, M. Zheng, Y. Kojima, H. Iwasawa, K. Shimada, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, M. Takahashi,1 N. L. Saini, T. Asano, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, and T. Mizokawa
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Journal Title
Physical Review B Rapid Communications
Volume: 92
Pages: 041113
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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