2017 Fiscal Year Annual Research Report
Superconductivity and spin-orbit interaction in atomically thin films studied by ARPES
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17H01139
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 理学研究科, 教授 (10361065)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相馬 清吾 東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489)
中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 原子層物質 / エネルギーバンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、原子層高温超伝導体やスピン軌道相互作用に由来した特異な電子構造を持つ新奇原子層物質を開拓することを目的として、多チャンネルスピン分析器の基本設計や、新機能物質の薄膜作製とその電子状態決定を行った。
スピン分析器の電子軌道シミュレーションを開始し、測定する光電子イメージの分解能・スピン検出効率を最適化するパラメータの最適化を行った。検出効率を改善させるために、高輝度光源の設置を行った。装置開発と並行して新規物質の電子状態の決定を行った。
FeSe薄膜では、アニール条件を最適化することによって、基板からの電子ドープを抑えたノンドープの単層FeSe薄膜を作製することに成功した。薄膜の電子状態をin-situ ARPESによって決定した結果、バルクFeSeと類似したネマティック状態が低温で安定化することを見出した。この状態では、ブリルアンゾーンのM点の近傍でのみフェルミ準位を交差するディラックコーンバンドが存在しており、このバンドは系のもつ鏡映対称性によって保護されていることを見出した。さらに２層以上の膜厚の領域では、ブリルアンゾーンのガンマ点におけるホールバンドがフェルミ準位を交差しており、ディラック半金属にはならないことがわかった。以上の実験結果から、ノンドープ単層FeSeが2次元ディラック半金属であると結論した。
CaAgAsのARPES測定を行い、この物質が線ノードからなるディラック電子を内包した新種のトポロジカル絶縁体であることを明らかにした。さらに、この線ノード型ディラック電子が、結晶の鏡映対称性によって安定化していることも明らかにした。鏡映対称性によるディラック電子の安定化は、ビスマスセレンやビスマステルルなどのよく知られたトポロジカル絶縁体には無い性質であり、この結果は、結晶の鏡映対称性が新型トポロジカル・原子層物質探索の鍵となることを示したものである。
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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
スピン分解光電子分光装置の改良・調整においては、スピン効率の改善のための高輝度励起光源系の開発に大きな進展が見られ、これまでに比べて格段に向上した統計精度・エネルギー分解能での低エネルギーARPES実験が可能になった。また、鉄系超伝導体の原子層薄膜では、鏡映対称性によって保護された新しいディラック半金属相を初めて明らかにすることができた。さらに、CaAgAsにおいても、鏡映対称性が、線ノード型のディラック電子実現に重要であることを明らかにした。この結果は、今後結晶の鏡映対称性などをフルに活用した原子層物質の探索が、原子層物質における新機能発現に向けて重要であることを示したものである。以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の研究をひき続き発展させるとともに、さらに以下に示す研究も進める。
(1)スピン検出器の開発：電子軌道シミュレーション、電子レンズ系の配置、印加電圧の調整、励起光源系の性能向上により、スピン分解時の検出効率とエネルギー分解能を大幅に向上させる。
(2)磁性薄膜ターゲットの作製：専用の磁性薄膜作製槽を取り付けて超高真空中でターゲット薄膜をスピン分析器に移送する機構を設計・製作する。試作ターゲットによる単チャンネルのスピン分解光電子分光実験により、高い検出効率が得られる成長条件の絞り込みを行う。
(3)界面超伝導：Bi2Te3とFeTeの接合において指摘されている高温超伝導の可能性を明らかにするために、Bi2Te3/FeTeの高品質ヘテロ構造を作製し、低エネルギー励起光を用いて界面における電子状態、とりわけ、超伝導ギャップの精密測定を行い、超伝導の起源と電子構造との関連を明らかにする。これにより、マヨラナ準粒子形成の母体となる電子構造を確立する。
(4) 二次元モット絶縁相：遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の表面にアルカリ金属を吸着させてキャリアを注入し、フェルミ準位近傍のバンド構造のキャリア濃度・温度依存性を精密に測定することで、電子相図を確立する。1T-NbSe2では、モット絶縁相へのキャリア注入によって金属-絶縁体転移を誘起し、相境界周辺における超伝導の有無を明らかにする。
(5) 新奇半金属相：ディラック半金属Cd3As2およびワイル半金属TaAs・NbAsの原子層薄膜を作製し、スピン分解ARPESによって電子構造の膜厚依存性を明らかにする。とりわけ膜厚の薄い領域における量子化バンドの振る舞いを明らかにし、量子サイズ効果による半金属-半導体転移の観測を目指す。また、フェルミアーク表面状態を決定し、量子相転移とフェルミ面のトポロジーとの関係を明らかにする。
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[Journal Article] Observation of Dirac-like Energy Band and Ring-Torus Fermi Surface in Topological Line-Node Semimetal CaAgAs'2018
Author(s)
D. Takane, K. Nakayama, S. Souma, T. Wada, Y. Okamoto, K. Takenaka, Y. Yamakawa, A. Yamakage, T. Mitsuhashi, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, and T. Sato
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Journal Title
npj Quantum Materials
Volume: 3
Pages: 1(1-6)
DOI
Peer Reviewed
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