2020 Fiscal Year Annual Research Report
Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts
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17H06138
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
初貝 安弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80218495)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
木村 昭夫 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (00272534)
岩本 敏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)
福井 隆裕 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10322009)
河原林 透 東邦大学, 理学部, 教授 (90251488)
青木 秀夫 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 名誉教授 (50114351)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | バルク・エッジ対応 / 冷却原子 / ARPES実験 / フォトニック結晶 / トポロジカル相 / 高次トポロジカル相 / 平方根トポロジカル相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
バルクエッジ対応の新学理構築を目指す以下の研究を行った。
[1]理論的に、新奇な平方根トポロジカル相や高次トポロジカル相でのバルクコーナー対応を明らかとし、強相関系での対称性保護下でのトポロジカルポンプにおけるバルクエッジ対応とプラトー間転移を発見した。また量子ダイナミクスによるト新奇な観測量を提案しその有効性も示した。 [2]冷却原子に関しては、乱れポテンシャル下でのトポロジカルポンプの堅牢性とその限界を明らかにし、乱れを印可してはじめてポンプが誘起される現象の観測について論文化[arXiv 2007.06817]した。また、トポロジカル超流動に向けて超低温Er-Li原子混合系を生成し800G以下の磁場で多くのフェッシュバッハ共鳴を観測した。また明確な境界を有する冷却リドベルグ原子アレーのための真空装置・光源を準備し、Yb原子リドベルグ共鳴励起信号の観測に成功した。さらにトポロジカル原子レーザーの実験系の構築に成功した。[3]放射光ARPES実験に関してCo2MnGa薄膜について放射光スピンARPESを行い，多数スピンバンドの交差点がちょうどフェルミ準位に一致することを明らかにし、その高いNernst効果がベリー曲率由来であることを明らかにした。またバルクバンドの交差点をつなぐ少数スピン表面バンドを観測した。その他，Co2MnGeのハーフメタル性の実験的な証明，相変化材料として知られるGeSb2Te4についてトポロジカル表面バンドを観測しトポロジカルに非自明であることを明らかにした。[4] フォトニック結晶実験に関して，昨年度観測したマイクロ波帯で機能するカイラルフォトニックにおけるWeyl点近傍での波面整形効果が、フォトニックバンド構造から理解できることを明らかにしWeyl点に起因する特徴的現象であることを示し、バレーフォトニック結晶リング共振器でレーザ発振に成功した。
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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
（1）バルク・エッジ対応を一般化されたカイラル対称性へと拡張する試みに関してトポロジカル状態制御の実験系への具体的な提案へとつなげることができた。（2）当初予定の、サウレスポンプにおける乱れとトポロジーの競合の論文化、Er-Liフェッシュバッハ共鳴の観測、光トラップアレーの実験系の構築、などの成果だけでなく、新規なトポロジカル原子レーザーのアイデアの具現化と実験系の構築、という当初予定を超えた進展があった。（3）広島大学ARPES実験での成果に関して３件のプレス発表を行ない、以下、2件の新聞掲載があった。[1] K. Sumida et al., Commun. Mater. 1, 89/ 1-9 (2020)科学新聞（2020.12.18, 4面）。[2] T. Kono et al., Phys. Rev. Lett. 125 (21), 216403/ 1-6 (2020).日刊工業新聞・電子版（2020.12.10）。
（4）フォトニック結晶実験に関して，Weyl点における電磁波波面整形効果にバンド構造に基づく説明を与えることに成功するとともに、トポロジカルフォトニック結晶レーザを実現するなどの成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）バルクエッジ対応の科学の基礎構築のため，量子/古典の多彩な系でのバルクエッジ対応を我々が提案してきたベリー接続の理論，等を用い，数学-物理の連携，交流の下で研究を進める。トポロジカル相の枠を越え，広く自然界に存在する局在状態の起源をバルクの特性に帰着し普遍的な視点から理解することを目標に多様な現象の探索とその理解を目指す。（2）Rb原子の内部人工次元を用いたトポロジカル原子レーザーの実現に向けて、蒸発冷却・シュテルンゲルラッハ効果の最適化を試みる。トポロジカル超流動に向けて、フェルミ同位体エルビウム原子とリチウム原子の混合量子系を生成しフェッシュバッハ共鳴を観測し、実現に迫る。更に、明確な境界を有する量子多体系である単一リドベルグ原子の光ピンセットアレーおよび光格子量子気体顕微鏡の構築を進め、エッジ状態として利用する。（3）ホイスラー型強磁性合金Co2MnGaのバルクのワイルコーンの観測に加え観測された表面バンドについてバルクエッジ対応の観点からさらに深く追求する。またEuIn2As2などの反強磁性体についてヒンジ状態が予言されているが，その観測をレーザーや放射光ARPESで進めて高次トポロジカル絶縁体相におけるバルクエッジ対応を見極める。さらにはシリコンなどの半導体には表面再構成構造が存在することが古くから知られるが，その根本的な発生起源をバルクエッジ対応の観点から探っていく。（4）フォトニック結晶実験に関して，これまでの知見を踏まえ、光トポロジカル状態を活用した低損失光導波路や新奇レーザなど、バルクエッジ対応のオプトエレクトロニクスへの活用可能性を探る。光の放射損失を本質的に抑制可能なライトライン下のヘリカルエッジ状態を利用したトポロジカル光導波路の可能性を示すことを目指し、四重極コーナー状態やトポロジカル欠陥の半導体ナノフォトニクスへの適用可能性を明らかにする。
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Research Products
(131 results)
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[Journal Article] Persistence of the topological surface states in Bi2Se3 against Ag intercalation at room temperature2020
Author(s)
M. Ye, K. Kuroda, M. Otrokov, A. Ryabishchenkova, A. Ernst, E. V. Chulkov, M. Nakatake, M. Arita, T. Okuda, T. Matsushita, L. T_th, H. Daimon, K. Shimada, Y. Ueda and A. Kimura
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Journal Title
J. Phys. Chem. C
Volume: 125
Pages: 1784-1792
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Experimental verification of temperature induced topological phase transition on TlBiS2 and TlBiSe22020
Author(s)
S. O. Filnov, I. I. Klimovskikh, D. A. Estyunin, A. V. Fedorov, V. Y. Voroshnin, A. V. Koroleva, A. G. Rybkin, E. V. Shevchenko, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, N. T. Mamedov, E. F. Schwier, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Kumar, A. Kimura, V. M.Misheneva, A. M. Shikin and E. V. Chulkov
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 102
Pages: 085149-1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Unveiling spin-dependent unoccupied electronic states of Co2MnGe (Ga) film via Ge (Ga) L2,3 absorption spectroscopy2020
Author(s)
T. Yoshikawa, V. N. Antonov, T. Kono, M. Kakoki, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takeda, Y. Saitoh, K. Goto, Y. Sakuraba, K. Hono, A. Ernst and A. Kimura
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 102
Pages: 064428-1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te42020
Author(s)
A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, S. O. Filnov, E. F. Schwier, S. Kumar, K. Miyamoto, T. Okuda, A. Kimura, K. Kuroda, K. Yaji, S. Shin, Y. Takeda, Y. Saitoh, Z. S. Aliev, N. T. Mamedov, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, M. M. Otrokov, S. V. Eremeev, and E. V. Chulkov
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Journal Title
Sci. Rep.
Volume: 10
Pages: 13226-1-13
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Topologically Non-trivial Phase-change Compound GeSb2Te42020
Author(s)
M. Nurmamat, K. Okamoto, S. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, V. O. Korostelev, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. Wang, Y. Ishida, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, K. Shimada, S. Shin and A. Kimura
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Journal Title
ACS Nano
Volume: 14
Pages: 9059-9065
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Epitaxial growth and physical properties of a promising 2D catalyst: graphene on nano-thin Pt5Gd alloy2020
Author(s)
A. G. Rybkin, A. A. Rybkina, A. V. Tarasov, D. A. Pudikov, I. I. Klimovskikh, O. Y. Vilkov, A. E. Petukhov, D. Y. Usachov, D. A. Estyunin, V. V. Voroshnin, A. Varykhalov, G. Di Santo, L. Petaccia, E. F. Schwier, K. Shimada, A. Kimura, and A. M. Shikin
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Journal Title
Appl. Surf. Sci.
Volume: 526
Pages: 146687-1-8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Low-energy electron-boson coupling in Sr2RuO42021
Author(s)
S. Ozawa, H. Iwasawa, H. Oda, T. Yoshikawa, A. Kimura, M. Hashimoto, D. Lu, T. Muro, Y. Yoshida, I. Hase, Y. Aiura, S. Kumar, K. Shimada
Organizer
The 25th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Optimization of self-energy in high-Tc cuprate superconductor La2-xSrxCuO42021
Author(s)
H. Oda, H. Iwasawa, T. Miyashita, S. Ozawa, A. Kimura, R. Yano, S. Kashiwaya, T. Sasagawa, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada
Organizer
The 25th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
Int'l Joint Research
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[Presentation] ARPES study of antiferromagnetic EuIn2As22021
Author(s)
K. Shiraishi, M. Novak, T. Yoshikawa, T. Kono, S. Kumer, K. Miyamoto, T. Okuda, E. F. Schwier, M. Arita, K. Shimada, S. V. Eremeev and A. Kimura
Organizer
The 25th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
Int'l Joint Research
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[Presentation] Co2MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果の観測2020
Author(s)
角田一樹, 桜庭裕弥, 増田啓介, 河野嵩, 鹿子木将明, 後藤一希, Weinan Zhou, 宮本幸治, 三浦良雄, 奥田太一, 木村昭夫
Organizer
第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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[Presentation] Co2MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果の観測2020
Author(s)
角田一樹, 桜庭裕弥, 増田啓介, 河野嵩, 鹿子木将明, 後藤一希, Weinan Zhou, 宮本幸治, 三浦良雄, 奥田太一, 木村昭夫
Organizer
日本磁気学会第44回学術講演会
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[Presentation] 高分解能ARPESによるBi2Sr2CaCu2O8+dのギャップ不均一性2020
Author(s)
杉山貴哉, 岩澤英明, 小澤秀介, 尾田拓之慎, 河野嵩, 木村昭夫, 宮本幸治, 奥田太一, 石田茂之, 吉田良行, 永崎洋
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
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[Presentation] 高分解能ARPESを用いたLa(2-x)SrxCuO4の多体相互作用の評価2020
Author(s)
尾田拓之慎, 岩澤英明, 小澤秀介, 矢野力三, 柏谷聡, 笹川崇男, Shiv Kumar, E. F. Schwier, 島田賢也, 橋本信, Donghui Lu, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
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[Presentation] 反強磁性体EuIn2As2の角度分解光電子分光2020
Author(s)
白石海人, Mario Novak, 吉川智己, 河野嵩, Shiv Kumar, 宮本幸治, 奥田太一, Eike F. Schwier, 島田賢也, Sergey V. Eremeev, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
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[Presentation] ホイスラー合金Co2MnGe(Ga)薄膜のGe(Ga) L2,3端における磁気円二色性スペクトルII2020
Author(s)
吉川智己, Antonov Victor, 河野嵩, 鹿子木将明, Wang Xiaoxiao, 角田一樹, 宮本幸治, 竹田幸治, 斎藤祐児, 後藤一希, 桜庭裕弥, 宝野和博, Ernst Arthur, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
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