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2018 Fiscal Year Research-status Report

重元素結晶表面の擬似液体相におけるRashba型スピン軌道相互作用

Research Project

Project/Area Number 17K18757
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

大坪 嘉之  大阪大学, 生命機能研究科, 助教 (70735589)

Project Period (FY) 2017-06-30 – 2020-03-31
Keywords擬似液体層(QLL) / トポロジカル相転移 / スピン軌道相互作用 / 表面電子状態
Outline of Annual Research Achievements

当初計画の通り、低融点金属であるビスマス(Bi)の表面疑似液体層(QLL)の作製とその電子状態の観測を目指し、試料表面を段階的に加熱しながらその原子構造および電子状態の観測を行った。
前年度までの観測から、450 K 程度までの加熱ではBiは表面近傍においても融解しないことが明らかになっていたが、今年度はさらに昇温し、3次元結晶の融点である550 K 直下までの原子構造を観測した。550 K 直前までQLL形成に由来するような2次元的な電子回折パターンは観測されず、試料温度が融点を超えると即座に全ての電子回折点が消失した。その後ゆっくりと結晶を冷却したが、3次元結晶構造を反映した電子回折パターンは方位がずれた状況で復帰したものの、QLLに対応するような電子回折は見られなかった。残念ながら、Bi単結晶は極めて「融けにくい」物質であり、QLL層を安定して形成することは現状の実験環境では不可能であるとわかった。
一方、昨年度に発見した400 K を超える温度領域の表面電子状態の変化について、角度分解光電子分光によって詳細に調査を進めた。すると、2次元的な表面電子状態と3次元的な結晶内部(バルク)電子状態の結合関係が室温付近を境に反転していることが明らかになった。これはBi単結晶が温度変化によりトポロジカル半金属から通常半金属へ変化する、トポロジカル相転移が発生したことを示唆する結果である。この成果については論文を投稿・発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上述のように、Bi単結晶の温度変化によるQLL層の作製は残念ながら不可能であった。ただし、多くの他物質とは異なり、QLLを作製できなかったという事実自体がBi単結晶の特異性のひとつではあると考えられる。
一方、高温に保ったBi単結晶の表面電子状態の調査により、当初は予測されていなかったトポロジカル相転移と考えられる興味深い現象を発見した。
以上のように、当初計画の推進は困難であったが、一方で予想されていなかった新たな成果を挙げることには成功した。両者を勘案し、進捗評価としては「順調に進展した」と評価する。

Strategy for Future Research Activity

今後は新たに発見した温度駆動のトポロジカル相転移に注目し、Bi単結晶以外にも狭ギャップトポロジカル絶縁体などの電子状態の温度変化を追跡する予定である。
また、昨年度中に出版される予定であった論文1報の査読が長引いているため、その掲載費用に充てる予定であった一部の金額を今年度に繰り越している。

Causes of Carryover

昨年度中に出版される予定であった、本研究の成果に関連する論文1報の査読が長引いているため、その掲載費用に充てる予定であった一部の金額を今年度に繰り越している。

  • Research Products

    (10 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] Synchrotron SOLEIL(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      Synchrotron SOLEIL
  • [Journal Article] Temperature-driven modification of surface electronic structure on bismuth, a topological border material2019

    • Author(s)
      Ohtsubo Y、Yamashita Y、Kishi J、Ideta S、Tanaka K、Yamane H、Rault J E、Le F?vre P、Bertran F、Kimura S
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 52 Pages: 254002~254002

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ab1515

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Surface electronic structure of SmB6(111)2018

    • Author(s)
      Ohtsubo Yoshiyuki、Hagiwara Kenta、Wang Chengwei、Yukawa Ryu、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Hirano Wataru、Iga Fumitoshi、Kimura Shin-ichi
    • Journal Title

      Physica B: Condensed Matter

      Volume: 536 Pages: 75~77

    • DOI

      10.1016/j.physb.2017.09.033

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Infrared Evaluation of Enantiometric Amount and Application to Racemization at the Interface Between L- and D-Alanine2018

    • Author(s)
      Kamei Shun、Hibi Jigen、Ohtsubo Yoshiyuki、Watanabe Hiroshi、Kimura Shin-ichi
    • Journal Title

      Applied Spectroscopy

      Volume: 72 Pages: 1074~1079

    • DOI

      10.1177/0003702818770575

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Giant Rashba splitting of quasi-one-dimensional surface states on Bi/InAs(110)-(2×1)2018

    • Author(s)
      Nakamura Takuto、Ohtsubo Yoshiyuki、Yamashita Yuki、Ideta Shin-ichiro、Tanaka Kiyohisa、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Shin Shik、Komori Fumio、Yukawa Ryu、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Kimura Shin-ichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 075431~075431

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.98.075431

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Bi/GaSb(110)-(2×1)表面電子状態の金属化と原子構造変化2019

    • Author(s)
      大坪嘉之, 中村拓人, 山下雄紀, 出田真一郎, 田中清尚, 木村真一
    • Organizer
      日本物理学会 第74回年次大会
  • [Presentation] Quasi 1D surface electronic states with spin-orbit interaction2018

    • Author(s)
      Yoshiyuki Ohtsubo
    • Organizer
      International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Giant Rashba-type spin-split electronic states in quasi-1D surface system2018

    • Author(s)
      Y. Ohtsubo, T. Nakamura, Y. Yamashita, K. Yaji, A. Harasawa, S. Shin, F. Komori, R. Yukawa, K. Horiba, H. Kumigashira, S. Kimura
    • Organizer
      Magnetic Single Nano-Object Workshop & School
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topological surface states of the Kondo insulator SmB6 unveiled from the new crystal orientation2018

    • Author(s)
      Y. Ohtsubo, Y. Yamashita, K. Hagiwara, S. Ideta, K. Tanaka, R. Yukawa, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Miyamoto, T. Okuda, W. Hirano, F. Iga, S. Kimura
    • Organizer
      International Workshop on Trends in Advanced Spectroscopy in Materials Science
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 表面電子状態から探るビスマス単結晶のトポロジカル秩序2018

    • Author(s)
      大坪嘉之
    • Organizer
      ISSPワークショップ:スピン軌道強結合伝導系におけるサイエンスの新展開
    • Invited

URL: 

Published: 2019-12-27  

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