2017 Fiscal Year Annual Research Report
Explorarion of novel device technology based on topological electronic states
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16H03847
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / トポロジカル半金属 / トポロジカル超伝導体 / 新物質探索 / 新機能探索 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピントロニクスから量子コンピューティングまで次世代電子デバイスへの利用が期待される「トポロジカルな電子状態をもつ物質」について、新物質の開拓、そこから生まれる新奇な量子現象や機能の探索に取り組んだ。
①トポロジカル絶縁体：低温においてバルク由来のキャリアが消失してトポロジカル表面状態が支配的となる「高絶縁性トポロジカル絶縁体」を確立することに成功した。電子とホールの表面キャリア状態をもつ試料を作り分ける結晶育成技術、結晶の表面と裏面のキャリアの種類と量を独立で自在に制御できるデバイス技術などの開発にも成功した。
②トポロジカル半金属：非磁性物質にもかかわらず、超巨大な磁気抵抗効果を示すトポロジカル半金属物質をいくつも発見し、それらがもつ電子構造との関連を議論することに成功した。エネルギ・ギャップがゼロのトポロジカルに保護された表面状態が運動量空間の対称性の高い場所でライン状に存在している物質の発見や、14Tにおいて10万倍の超巨大磁気抵抗を示す物質の発見などが特筆される。
③トポロジカル超伝導体：まだ未発見のトポロジカル超伝導体について、候補物質の探索指針を確立した。トポロジカルな表面電子状態を持ちうる半金属の中で超伝導を示す物質を対象とすることで、定比化学組成でへき開性ももつ有力候補物質を選定できることを提唱した。この指針に従って、β-PdBi2 (Tc ~ 5.4 K)、α-PdBi2 (Tc ~ 1.7 K)、α-PdBi (Tc ~ 3.6 K)、PdTe2 (Tc ~ 1.7 K)、PbTaSe2 (Tc ~ 3.8 K) などの新しい候補物質をいくつも発見し、それら物質の常伝導状態および超伝導状態の詳細について実験検証を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
トポロジカル絶縁体、トポロジカル半金属、トポロジカル超伝導体のそれぞれについて、当初計画を上回るような物質、現象、機能についての想定外の発見が相次ぎ、インパクトファクターの高い論文誌への掲載も多数行うことができたことから。
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| Strategy for Future Research Activity |
継続して絶縁体、半金属、超伝導体を対象としてトポロジカル電子物質の計算科学的探索と選定、合成と単結晶化、物性評価と機能実証を行う。これまでに見出した種々の物質群については、電子構造の解明とデバイス応用に向けた研究に取り組む。昨年度から利用可能になった１４テスラの高磁場、０．２ケルビンの極低温、3万気圧の超高圧という複合極限環境を利用して、輸送特性の量子化現象(Shubnikov-de Haas振動)を角度依存性も含めて精密に測定・解析することから、フェルミ面や有効質量などの電子状態の詳細を明らかにすることを進める。並行して、研究協力者との連携により角度分解光電子分光および走査型トンネル顕微鏡・分光法による電子構造の直接観察も引き続き行う。
新しいトポロジカル電子物質の開拓として本年度の目標は、特定の結晶面にしかトポロジカル表面状態の現れない「弱いトポロジカル絶縁体」、時間反転対称性の破れた「ワイル半金属」、マヨラナ粒子の出現する「トポロジカル超伝導体」などの代表例となる物質を確立することである。
最終年度にあたり、不足データの補完などを行い、成果を確実に収穫して論文発表して行くことにも注力する。
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[Journal Article] Fermiology and Superconductivity of Topological Surface States in PdTe22018
Author(s)
O.J. Clark, M.J. Neat, K. Okawa, L. Bawden, I. Markovic, F. Mazzola, J. Feng, V. Sunko, J.M. Riley, W. Meevasana, J. Fujii, I. Vobornik, T.K. Kim, M. Hoesch, T. Sasagawa, P. Wahl, M.S. Bahramy, and P.D.C. King
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 120
Pages: 156401/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Nonequilibrium Lattice-driven Dynamics of Stripes in Nickelates using Time-resolved X-ray Scattering2017
Author(s)
W. S. Lee, Y. F. Kung, B. Moritz, G. Coslovich, R. A. Kaindl, Y. D. Chuang, R. G. Moore, D. H. Lu, P. S. Kirchmann, J. S. Robinson, M. P. Minitti, G. Dakovski, W. F. Schlotter, J. J. Turner, S. Gerber, T. Sasagawa, Z. Hussain, Z. X. Shen, and T. P. Devereaux
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 95
Pages: 121105/1-5
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ubiquitous Formation of Type-II Bulk Dirac Cones and Topological Surface States from a Single Orbital Manifold in Transition-metal Dichalcogenides2017
Author(s)
M. S. Bahramy, O. J. Clark, B.-J. Yang, J. Feng, L. Bawden, J. M. Riley, I. Markovic, F. Mazzola, V. Sunko, D. Biswas, S. P. Cooil, M. Jorge, J. W. Wells, M. Leandersson, T. Balasubramanian, J. FujiiI. Vobornik, J. Rault, T. K. Kim, M. Hoesch, K. Okawa, M. AsakawaT. Sasagawa, T. Eknapakul, W. Meevasana, P. D. C. King
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Journal Title
Nature Materials
Volume: 17
Pages: 21-28
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Narrow-band Anisotropic Electronic Structure of ReS22017
Author(s)
D. Biswas, A. M. Ganose, R. Yano, J. M. Riley, L. Bawden, O. J. Clark, J. Feng, L. Collins-Mcintyre, W. Meevasana, T. K. Kim, M. Hoesch, J. E. Rault, T. Sasagawa, David O. Scanlon, and P. D. C. King
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 96
Pages: 085205/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Observation of Bogoliubov Band Hybridization in the Optimally Doped Trilayer Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ2017
Author(s)
S. Kunisada, S. Adachi, S. Sakai, N. Sasaki, M. Nakayama, S. Akebi, K. Kuroda, T. Sasagawa, T. Watanabe, S. Shin, and T. Kondo
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Journal Title
Phys. Rev. Lett.
Volume: 119
Pages: 217001/1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Observation of Nodal Line in Non-symmorphic Topological Semimetal InBi2017
Author(s)
S.A. Ekahana, S.-C. Wu, J. Jiang, K. Okawa, D. Prabhakaran, C.-C. Hwang, T. Sasagawa, C. Felser, B. Yan, Z. Liu, and Y. Chen
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Journal Title
New J. Phys.
Volume: 19
Pages: 065007/1-8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of Nodal Line in Non-Symmorphic Topological Semimetal InBi2018
Author(s)
S.A. Ekahana, S.-C. Wu, J. Jiang, K. Okawa, D. Prabhakaran, C.-C. Hwang, S.-K. Mo, T. Sasagawa, C. Felser, B. Yan, Z. Liu, and Y. Chen
Organizer
American Physical Society March Meeting 2018
Int'l Joint Research
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[Presentation] Percolative Superconducting Pre-pairing in Cuprates2018
Author(s)
D. Pelc, G. Yu, M. Vuckovic, P. Popcevic, M. Grbic, K. Velebit, Y. Li, Y. Tang, N.-H. Kaneko, R. He, Z. Anderson, X. Zhao, T. Sasagawa, A. Shekhter, M. Pozek, N. Barisic, and M. Greven
Organizer
American Physical Society March Meeting 2018
Int'l Joint Research
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[Presentation] Fermiology and Superconductivity of Topological Surface States in PdTe22018
Author(s)
O. Clark, M. Neat, K. Okawa, L. Bawden, I. Markovic, F. Mazzola, J. Feng, T. Sasagawa, P. Wahl, M. Bahramy, and P. King
Organizer
American Physical Society March Meeting 2018
Int'l Joint Research
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