2016 Fiscal Year Research-status Report
時間分解角度分解光電子分光による高温超伝導体のヒッグスモード観察
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16K13829
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
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2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 時間分解光電子分光 / レーザー / 高温超伝導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、エネルギースケールでは似通った高温超伝導体の電子対形成及び多様な秩序状態(擬ギャップ状態、電荷・スピン密度波状態、及び軌道秩序状態)を時間スケールで分離して観測することで、超伝導におけるそれぞれの役割を新しい角度から同定する。非平衡にある電子系は、電子相関や電子-格子散乱を経て緩和していくが、その時間スケールが各相互作用で異なるため、静的には似通った秩序構造を、時間軸で分離して観測できる。その中でも時間分解ARPESは、様々な物性を支配するフェルミ準位近傍の非平衡電子状態を波数分解して直接観測できる点で他の超高速分光法とは一線を画す。時間分解ARPESを用いたこれまでの数少ない超伝導研究では、銅酸化物を光励起して得られる非占有側のスペクトル量が時間軸に対し追跡されてきた。その中で、励起準粒子の緩和に際し、「遅い緩和＝超伝導の再構成」の構図(RTモデル)でデータ解釈が成されてきた。つまり、破壊された電子対が再結合する過程と、それによって生成されるフォノンが再び電子対を破壊する過程とがループを描き、その結果、電子系過渡変化が遅延すると解釈する。主に２グループから報告されているが、電子系の緩和時間に強い異方性があるとする結果と、等方的だとする結果で互いに食い違いが有り、超伝導や擬ギャップの過渡変化は未だ解明されていない。我々は、「遅い緩和＝超伝導の再構成」の前提そのものをまずは検証するため、超伝導の発現しないほどに過剰ドープした試料の研究からスタートした。その結果、超伝導とは無関係に長時間の緩和成分が観察され得ることを示し、「遅い緩和＝超伝導の再構成」の構図そのものを再検討する必要性を見出した。さらに、pump 光の強度によって緩和時間が大きく変化することを見出し、グループ間で見えた実験結果の食い違いを説明することが可能となった。
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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
超伝導体に超短パルスレーザーが照射されて準粒子の分布に急激な変化が生じると、秩序パラメータが振動することが期待される。ところが、pump光として近赤外領域のレーザーを用いる従来の時間分解ARPESでは、ヒッグスモードの観測は困難だとされる。その原因は、近赤外領域のフォトンエネルギー(>1eV)が高温超伝導体のギャップエネルギー(2Δ=30~160meV)よりも遥かに大きいため、光励起された熱いキャリアの莫大な余剰エネルギーによって、格子系が加熱されることにある。この状況下では、大量に放出されるフォノンによって、電子系が格子系と平衡化するまでの間に、電子対が破壊され続けることになる。その結果、ヒッグスモードが安定的に存在しうる非断熱的励起条件を満たさなくなる。即ち、ヒッグスモードを誘起するためのレーザーパルスに必要な条件は主に２つで、一つ目に準粒子分布を激変させるほどの十分な強度を持つこと、また二つ目には、フォトンエネルギーがギャップエネルギーと同程度であること、が重要となる。本計画では、フェムト秒パルスで励起する光パラメトリック増幅器(OPA)から得られる出力(signal及びidler)の差周波混合過程(DFG)を用いて、中波長赤外から長波長赤外(<10μm; >125meV)まで波長可変なpump光源システムを用いる。高温超伝導体のギャップサイズ(2Δ=30~160meV)にpump光エネルギーを近づけることで、擬ギャップや電子対状態が競合しつつ発達する過渡変化を選別研究し、さらには、発現が期待されるヒッグスモードの観察を試みる。これまでに、光パラメトリック増幅器の導入と動作確認を完了した。さらに差周波混合過程(DFG)を用いて、中波長赤外から長波長赤外までのpump光システムを用いて研究に活かしていく道筋が立った。
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| Strategy for Future Research Activity |
時間分解ARPESを用いた超伝導研究は始まったばかりで、まだ未熟な分野である。この新しい分野を切り開く目的の本計画において、列記する様々な比較を通しての積み重ねが不可欠となる。今後以下の計画を進める。
(i) 従来型超伝導体で、BCS限界の最高Tcを持つとされるMgB2との比較。電子対の再構成を典型物質で調べ、それと比較した差違を追求して初めて高温超伝導の特異性が導きだせる。(ii) 超伝導の発現しないほどに過剰ドープした試料との比較。多様な秩序が発現する母物質近傍に高温超伝導研究の醍醐味が有る。しかし、まずは最も単純な過剰ドープ試料の非平衡過渡変化を研究し、不足ドープ試料への比較対象を蓄積する必要がある。(iii) 単結晶と薄膜試料の比較。照射光の熱が背後の基板へと速やかに排出されることを前提とする理論解釈との比較議論を展開する上で極めて重要である。(iv) pump光エネルギーを変化させた比較。電子対と電荷秩序が持つそれぞれ異なるエネルギースケールにあわせて、ヒッグスモードを励起しうる最適な光を探索する必要が有る。(v)ノード近傍とアンチノード近傍の比較。時間分解ARPESだからこその波数分解測定により、ノード近傍とアンチノード近傍のそれぞれが支配する電子対及び擬ギャップ形成の過渡変化を比較研究する。上記する５ステップを確実に踏みつつ理論家と議論を積み重ね、それを更なる実験へとフィードバックさせながら研究を進めることで、多様な秩序がせめぎ合う高温超伝導特有の電子系ダイナミクスを解明する。２年間に渡る研究計画を通じて、時間分解ARPESが超伝導研究の強力なツールとして確立され、その後の物性物理研究への多大な波及効果が期待できる。
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| Causes of Carryover |
消耗品にカウントしていた光学機器が予想以上に性能がよく、通年使用が可能であったこと、また研究効率を加味した結果、初年度に予定していた自動測定システムの導入を次年度に繰り越したことが主な理由である。ただし、２年計画の本プロジェクトを成功させる上で、支障をきたすものではない。現時点で安定運転している装置を止めることなく研究を継続遂行できたことで、むしろ次年度へ繰り越したことが、トータルとしての研究効率の向上につながったメリットがあったことを強調しておきたい。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
自動制御測定システムを構築する上での経費が必要である。光電子を検出するマルチチャンネルプレートが劣化していので更新する。液体Heは低温での測定を行うための必要経費である。時間分解能改善のための非線形結晶BBOまわりの経費が必要である。国内・国外での研究発表のために、旅費と論文別刷代が必要である。また、レーザーパルスの時間幅を短くして時間分解能～200 fsを達成するために、パルス幅をモニターするオートコリレーターが必要である。
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Research Products
(27 results)
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[Journal Article] Orbital-Dependent Band Narrowing Revealed in an Extremely Correlated Hund’s Metal Emerging on the Topmost Layer of Sr2RuO42016
Author(s)
T. Kondo, M. Ochi, M. Nakayama, H. Taniguchi, S. Akebi, K. Kuroda, M. Arita, S. Sakai, H. Namatame, M. Taniguchi, Y. Maeno, R. Arita, S. Shin
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 117
Pages: 247001(1-5)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Slater to Mott Crossover in the Metal to Insulator Transition of Nd2Ir2O72016
Author(s)
M. Nakayama, T. Kondo, Z. Tian, J. J. Ishikawa, M. Halim, C. Bareille, W. Malaeb, K. Kuroda, T. Tomita, S. Ideta, K. Tanaka, M. Matsunami, S. Kimura, N. Inami, K. Ono, H. Kumigashira, L. Balents, S. Nakatsuji, S. Shin
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 117
Pages: 056403(1-5)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Spin Polarization and Texture of the Fermi Arcs in the Weyl Fermion Semimetal TaAs2016
Author(s)
S-Y Xu, I. Belopolski, D. S. Sanchez, M. Neupane, G. Chang, K. Yaji, Z. Yuan, C. Zhang, K. Kuroda, G. Bian, C. Guo, H. Lu, T-R. Chang, N. Alidoust, H. Zheng, C-C. Lee, S-M. Huang, C-H. Hsu, H-T. Jeng, A. Bansil, T. Neupert, F. Komori, T. Kondo, S. Shin, H. Lin, S. Jia, M. Z. Hasan
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 116
Pages: 096801(1-7)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] BaKFe2As2の超伝導状態における反強的電子構造2017
Author(s)
下志万貴博, Walid Malaeb, 近藤猛, 木方邦宏, 李哲虎, 伊豫彰, 永崎洋, 石田茂之, 中島正道, 内田慎一, 大串研也, 石坂香子, 辛埴
Organizer
日本物理学会 第72回年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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[Presentation] キラルな結晶構造を有するテルル単体のバンド構造の観測2017
Author(s)
坂野昌人, 平山元昭, 高橋敬成, 明比俊太朗, 中山充大, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 小野寛太, 組頭広志, 三宅隆, 村上修一, 笹川崇男, 近藤猛
Organizer
日本物理学会 第72回年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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[Presentation] 角度分解光電子分光で観測するCd2Os2O7の電子状態2017
Author(s)
中山充大, 近藤猛, 廣瀬陽代, 黒田健太, Balleile C dric, 坂野昌人, 明比俊太朗, 野口亮, 國定聡, 広井善二, 辛埴
Organizer
日本物理学会 第72回年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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[Presentation] 高次高調波レーザーを用いたフェムト秒時間分解ARPESによる銅酸化物高温超伝導体Bi2212の準粒子ダイナミクスの直接観測2016
Author(s)
岡田大, 岡崎浩三, 鈴木博人, 山本貴士, 染谷隆史, 小川優, 笹川崇男, 近藤猛, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 辛埴
Organizer
金沢大学 角間キャンパス
Place of Presentation
金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
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