2019 Fiscal Year Annual Research Report
Superconductivity and spin-orbit interaction in atomically thin films studied by ARPES
| Project/Area Number |
17H01139
|
|---|
| Research Institution | Tohoku University |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (10361065)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 原子層物質 / エネルギーバンド |
|---|
| 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、装置全体の調整や新奇原子層物質の薄膜作製とその電子状態決定を行った。以下では、本年度の主な研究成果について述べる。
分子線エピタキシー(MBE)法とトポタクティック法を組み合わせることで、高品質FeS原子層薄膜の作製に初めて成功した。ARPESによってFeSとFeSe薄膜の電子構造を精密に測定した結果、両者とも「基板の格子振動」や「基板から薄膜への電荷移動」が存在するという共通点を持つにも拘らず、FeS超薄膜では高温超伝導が起こらないことを見出した。この結果は、これまで高温超伝導の起源として有力であると考えられてきたこれらの要素だけでは高温超伝導を説明できないことを示している。
遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)1T-VTe2の単原子層薄膜の作製に成功した。フェルミ面とバンド構造を精度良く決定した結果、バルクとは大きく異なり、原子層で1T構造が安定化することを見出した。さらに、低温の電子状態は、類型物質であるVSe2とは異なり、金属的な振る舞いを示すことも明らかにした。これらの結果は、V系TMD原子層において、フェルミ面トポロジーがCDW発現の有無に重要な役割を果たすことを示している。
TMDのHfTe2では、次元性の簡便な制御手法を確立した。これまで原子層化に用いられてきた剥離法やMBE法は多くの工程を必要とするうえ単一試料での次元性制御が難しいという問題点があった。そこで、HfTe2にカリウムを蒸着してインターカレーションさせることで、表面近傍の電子状態が三次元から二次元へと系統的に変化することを見出した。この結果は、アルカリ金属の蒸着といった簡便な手法で層状物質の表面近傍における次元性を制御できることを示したものである。
|
| 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においては、スピン分解測定の効率化のための微小スポット低エネルギー励起光源系の開発・調整が進み、高精度のスピン分解ARPES実験が行えるようになった。FeS原子層薄膜では、予想に反して高温超伝導が発現しないことを初めて明らかにした。さらにVTe2原子層薄膜においては、フェルミ面のトポロジーとCDWとの密接な関係を明らかにした。以上の実験結果は、電子構造の制御に基づいた原子層物質におけるバンドエンジニアリングが、CDWや超伝導などの物性機能発現におい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。
|
| Strategy for Future Research Activity |
上記の研究を引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ことで、研究目的の実現を目指す。
（１）スピン分解光電子分光装置の改良：励起光源系の微小スポット化とスピン分析器の高効率化を同時に実現した状態で常時安定した高分解能実験ができるようにスピン分解光電子分光装置を最終調整する。
（2）界面超伝導および二次元モット絶縁相：Bi(111)とPb(111)の高品質ヘテロ接合を作製し、Bi(111)に超伝導近接効果を誘起することで、トポロジカル超伝導の新しいプラットフォームを確立する。とりわけ、膜厚を変化させた際のBiのフェルミ面トポロジーと超伝導との関係に着目した研究を行う。また、遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TaSe2および1T-NbSe2において、様々な外部からの擾乱に対して強い強固なモット相を実験的に確立し、モット相の強固性と次元性および強い格子変調との関連を明らかにする。
（3）新奇半金属相：新しい種類の擬二次元トポロジカル半金属候補物質の電子構造を、放射光と室内光源を併用した高分解能ARPES実験によって明らかにし、化学組成変化などによってトポロジカル量子転移を誘起することで、新しいトポロジカル半金属のプラットフォームを確立する。
(4) これまで得られた原子層薄膜におけるARPES実験結果全体を総括し、超伝導、スピン軌道相互作用、次元性、およびトポロジーの関連性について総合的に考察する。
|
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by topological proximity effect2020
Author(s)
C. X. Trang, N. Shimamura, K. Nakayama, S. Souma, K. Sugawara, I. Watanabe, K. Yamauchi, T. Oguchi, K. Segawa, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
-
Journal Title
Nature Communications
Volume: 11
Pages: 159-1-6
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] 1T-HfTe2における次元性制御：高分解能ARPES2019
Author(s)
中田優樹, 菅原克明, Ashish Chainani, 山内邦彦, 中山耕輔, 相馬清吾, Pei-Yu Chuang, Cheng-Maw Cheng, 小口多美夫, 上野啓司, 高橋隆, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
-
-
[Presentation] 単層VTe2薄膜の電子構造：高分解能ARPES2019
Author(s)
加藤剛臣, 伊東直洋, 佐藤匠, 中田優樹, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
-
[Presentation] Fe(Te,Se)/CaF2高温超伝導体の高分解能ARPES2019
Author(s)
坪野竜治, 中山耕輔, 大和田健太, 鍋島冬樹, 色摩直樹, 石川智也, 崎下雄稀, 前田京剛, 高橋隆, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
-
-
