2015 Fiscal Year Research-status Report
トポロジカル近藤絶縁体：希土類六ホウ化物の表面ディラックコーンの電子状態の解明
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15K05132
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
有田 将司 広島大学, 技術センター, 技術主任 (20379910)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊賀 文俊 茨城大学, 理学部, 教授 (60192473)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 近藤絶縁体 / 角度分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、近藤絶縁体表面のバルクエネルギーギャップ内にディラックコーンが形成される“トポロジカル近藤絶縁体”が注目されている。トポロジカル近藤絶縁体の候補物質YbB6及びSmB6 について、角度分解光電子分光法(ARPES)を用い、バルクが強相関電子系の近藤絶縁体表面に存在する準粒子散乱が抑制された電子状態：ディラック表面状態の電子軌道成分、準粒子散乱、バルク電子状態との関係を明らかにすることを目的に研究を進めている。２７年度はTm置換したYb1-xTmxB6のｘ＝0, 0.1, 0.2, 0.35について、ARPES実験を行った。母物質YbB6は、結合エネルギーEB=0.85eV 2.2eVに分散の無い4fバンドが観測され、Yb価数は完全2価であることが分かり、EB=0～10eVには、広い分散を持つB 2spのバンドが観測された。x>0ではTmが4価で置換されるため、YbB6に電子ドープされ、高結合エネルギー側にバンドシフトすることが分かった。x＝0.35についは、B 2spバンドは同様に観測されたが、Yb2価由来の4fバンドは観測されず、Ybは3価に価数転移している。x＝0.1,0.2では、Ybは2価で保持され、すべてのバンド構造は変化せず、リジッドバンドシフトする様子が観測された。これらついて直線偏光励起でのARPES観測を行ったところ、フェルミ準位近傍、Γ(-)点付近に、ディラックコーン状の分散構造が明瞭に観測できた。しかしながら、この分散構造には、ディラック点が観測できないこと、温度や表面の吸着等に対して”ロバスト”ではないこと、また対応するバンド計算で予測されるバルクのバンドがあることなどから、現在のところ、バルク由来のものと考えられ、YbB6がトポロジカル絶縁体である証拠は見い出せていない。
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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
２７年度において、Tm置換YbB6、Yb1-xTmxB6のｘ＝0, 0.1, 0.2, 0.35について、高分解能ARPES測定を実施することができ、すべての置換量で明瞭なバンド分散を観測することができた。少なくともTm置換x=0.2以下までは、Ybの価数転移はなく、YbB6の電子状態が保たれていること、YbB6のバンドには電子ドープされることが分かった。これらは、目的とするフェルミ準位近傍のディラック表面状態の探索に有効であり、母物質YbB6では困難であったディラックコーン形状の分散構造をフェルミ準位近傍に見出すことができた。現在まで、これはバルク由来であると考えられるが、確証を得るために、この電子状態のスピンに関する知見を得る必要がある。今後、スピン分解ARPES(Spin-ARPES)を用いてスピン状態の観測を予定している。当初の研究計画からは順序が変わってしまったが、この物質の研究では、予定の期間内で成果をあげられ、また、今後につながる結果を得たと考えている。
また、当初、BサイトをCで置換するYbB6-xCxを育成し、電子ドープ型試料を準備、フェルミ準位近傍の電子状態の観測を行う予定だったが、Tm置換YbB6においても期待される電子ドープ型と同等の物質となる確認された。これにより、２７年度で電子ドープ型YbB6の研究も同時に進めることができたと考えている。
これらから、研究はおおむね順調にするんでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Yb1-xTmxB6の研究では、YbB6は、完全２価で相関の強いf電子バンドがフェルミ準位から1eV程度離れており、c-f混成ギャップは観測されなかった。よって、フェルミ準位近傍に観測されたディラックコーン状のバンド分散とf電子の混成は弱いと考えられる。２８年度は広島大学放射光施設HiSOR BL-9Bに設置されているスピン分解ARPES(Spin-ARPES)装置を用いてのSpin-ARPES測定を行い、フェルミ準位近傍のバンド構造のスピン状態の知見を得、スピン偏極したディラック電子状態の有無について結論付ける。スピン偏極したディラック表面状態であれば、B 2pとYb 5d間のギャップ内に存在していると考えられ、p-dギャップを持つトポロジカル絶縁体として研究を進める。また、Tm置換物質において、電子ドープ型と見なすことができるため、当初計画にあったYbB6-xCxについての研究は、現状では必要性が低いと考えている。
一方、c-f混成ギャップ内にディラック表面状態が存在するトポロジカル近藤半導体SmB6があるが、２８年度よりその置換物質Yb1-xSmxB6について、ARPESとSpin-ARPESを用いて、研究を進める。4f6であるSmB6から4f14のYbB6まで変化させることで、バンドギャップが小さくなり閉じる様子が観測されると予測され、その際、ARPESを用いてディラック表面状態の変化を見出し、散乱の抑制されたディラック電子系の相関の強い4f電子からの影響の知見を得る。２７年度の測定から、直線偏光を有効に用いることで、フェルミ準位近傍のバンド形状がより明瞭に測定されることが分かったので、これらを利用し効率的に測定を進める。
その後、Spin-ARPESを用いて、スピン状態の変化についても測定を行い、ギャップ幅、温度とスピン状態の関係に関して研究を進める。
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| Causes of Carryover |
Tm置換物質のARPES測定から開始したため、測定時に使用する試料固定用基板、試料ホルダーは、現有のものが利用できた。２８年度はSpin-ARPESと新規の試料の測定を予定しているため、測定に合わせたホルダーや基板の作成が必要であり、その製作するための予算を残した。
また、ARPES測定において10～20Kで測定を行った方が、長時間の測定が可能と分かった。２７年度期の実験では、極低温実験を行うよりも、同一表面で長期間の測定を行った方が良いと判断したため、寒剤の使用量が予定量より少なかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
２８年度は、新規試料Yb1-xSmxB6の研究を進めるため、原料、ガス等の育成の為の消耗品の購入を予定している。また、試料に合わせた形で、ARPESとSpin-ARPES用の試料基板、試料ホルダの製作、劈開用のポスト、接着用の銀ペーストの消耗品の購入を予定している。
また、極低温実験を行う為、試料冷却のための寒剤の購入も予定している。
得られた成果を日本物理学会と日本放射光学会での報告を行う予定である。
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