2017 Fiscal Year Annual Research Report
酸化物量子井戸構造に誘起される新奇な２次元電子液体とその機能
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16H02115
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
組頭 広志 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00345092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀場 弘司 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (10415292)
簑原 誠人 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別助教 (70728633)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系 / 酸化物ヘテロ構造 / 酸化物薄膜 / 機能性ナノ構造 / バンド構造 / 放射光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、酸化物量子井戸構造内に閉じ込められた強相関電子が示す2次元電子液体（「金属」量子化状態）の新奇な2次元電子液体の本質を明らかにし、その知見に基づいて新たな機能を開拓することを目的としている。そのために、高輝度放射光を用いて酸化物量子井戸構造内のスピン・軌道・量子化状態を可視化する「偏光可変スピン・軌道分解角度分解光電子分光（ARPES）装置」の建設を行った。また、新装置立ち上げと平行して、既存装置をPhoton Factoryの偏光（垂直、水平、右円、左円）を切り替え可能なビームラインBL2A MUSASHIに設置し、偏光依存ARPESを用いた下記の２つの研究を行った。
１）(110)基板上に作製したSrVO3量子井戸構造における軌道選択的量子化状態を偏光依存ARPESで調べた結果、(001)面とは異なった振る舞いを示すことが明らかになった。詳細な解析の結果、強相関電子のコヒーレンス長が量子化に密接にかかわっていることが明らかになった。
２）典型的な酸化物半導体であるアナターゼTiO2の表面にKを吸着させることで、２次元電子液体状態を誘起することに成功した。また、この２次元電子液体状態が、電気２重層トランジスターのゲート電界下のチャネル層と類似していることを明らかにした。
また、新しく立ち上げている「偏光可変スピン・軌道分解ARPES装置」用の新型マニュピレータを設計・作製し、実装することで、広い波数空間の測定を精度良く行うことを可能にした。
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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
表面吸着Kにより表面領域に電子ドープした状態が電気二重層トランジスタ（EDLT）のゲート電界下におけるチャネル層と類似していることが明らかになってきた。そのため、この表面吸着K法を酸化物半導体TiO2、VO2、BaBiO3、等に展開し、表面の2次元電子状態形成メカニズムを明らかにする。また、得られた知見を元に表面2次元電子液体状態の制御指針を確立する。
既存装置を用いた偏光（垂直、水平、右円、左円）依存ARPES実験は順調に遂行されている。一方で、開発中の偏光可変スピン・軌道分解ARPES装置の立ち上げに遅れが見られる。とくに、新デフレクター機能の調整が難航している。加えて、新型ARPES装置のディフレクター機能を用いて、膨大なデータが取得されるため、このデータを効率よく整理・解析するために、測定系と連動した解析プログラムを整備する必要性が出てきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
強相関量子井戸構造に誘起される2次元電子液体状態の電子（量子化）・スピン（スピン軌道相互作用）・軌道の状態を可視化するために、高輝度放射光の偏光性と光電子検出器の新ディフレクター機能を組み合わせた「スピン・軌道分解ARPES装置」の調整を進める。特に、新デフレクター機能の調整を重点的に行う。それにより、今後は、このスピン・軌道分解ARPES装置を高輝度放射光の偏光と組み合わすことで、１）水平・垂直偏光を用いて量子井戸内の複雑なサブバンド構造を軌道の対称性を指定して分離し、２）右円・左円偏光の2色性を用いてそれらのスピンテクスチャ状態を特定出来るようにして、本研究課題を「スピン・軌道分解ARPES装置」で展開する。
また、既存の装置を用いて、２重量子井戸構造における量子干渉効果を可視化し、その知見に基づいて強相関電子の波動関数を設計する。これにより、新しい原理で動作するモットトランジスタを創成する。
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Research Products
(54 results)
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[Journal Article] Anisotropic spin-density distribution and magnetic anisotropy of strained La1?xSrxMnO3 thin films: angle-dependent x-ray magnetic circular dichroism2018
Author(s)
G. Shibata, M. Kitamura, M. Minohara, K. Yoshimatsu, T. Kadono, K. Ishigami, T. Harano, Y. Takahashi, S. Sakamoto, Y. Nonaka, K. Ikeda, Z. Chi, M. Furuse, S. Fuchino, M. Okano, J.-i. Fujihira, A. Uchida, K. Watanabe, H. Fujihira, S. Fujihira, A. Tanaka, H. Kumigashira, T. Koide, and A. Fujimori
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Journal Title
npj Quantum Materials
Volume: 3
Pages: 3[1-6]
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Evidence for magnetic Weyl fermions in a correlated metal2017
Author(s)
Kuroda K.、Tomita T.、Suzuki M.-T.、Bareille C.、Nugroho A.?A.、Goswami P.、Ochi M.、Ikhlas M.、Nakayama M.、Akebi S.、Noguchi R.、Ishii R.、Inami N.、Ono K.、Kumigashira H.、Varykhalov A.、Muro T.、Koretsune T.、Arita R.、Shin S.、Kondo Takeshi、Nakatsuji S.
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 16
Pages: 1090～1095
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Origin of interfacial ferromagnetism between perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO32017
Author(s)
M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, D. Shiga, K. Amemiya, T. Nagai, Y. Nonaka, G. Shibata, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
Organizer
The 15th International Conference on Advanced Materials
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Charge distribution and ferromagnetism at the heterointerface between perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO32017
Author(s)
M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, D. Shiga, K. Amemiya, T. Nagai, Y. Nonaka, G. Shibata, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
Organizer
第78回応用物理学会秋季学術講演会
Invited
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