2019 Fiscal Year Annual Research Report
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18H01165
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒田 健太 東京大学, 物性研究所, 助教 (00774001)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光電子 / トポロジカル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強い電子相関と強いスピン軌道相互作用の両者を兼ね備えた電子系は未開拓であり、新奇なトポロジカル量子相が理論予想されることからも、次なるフロンティアとして注目されている。昨今次々と報告される弱相関なトポロジカル量子相に関する実験結果は、理論予想を忠実に再現するものがほとんどで、理論先攻型の研究テーマと言える。対照的に、強相関を舞台とするトポロジカル状態は、第一原理計算でも再現しきれない新奇量子相が発現する可能性を秘めている。ブロッホ波数空間で定義されるベリー曲率は、対称性の破れた固体結晶の物性を支配する重要な物理量である。特に、時間反転対称性の破れたワイル磁性体は、ベリー曲率に起因して外部磁場を印加しなくても電流と垂直に起電力が生じる異常ホール効果を示し、その強さを通常のホール効果で換算すると数百テスラの外部磁場に相当することから、その強い応答性は応用物理学の観点からも注目されている。 一方基礎物理学的には、波数空間においてバンドの偶然縮退点(ワイル点)がベリー曲率に対するモノポールとして振る舞うことから、ワイル点近傍の円錐状分散を角度分解光電子分光(ARPES)により直接観測することが試みられてきた。 我々は、大きな異常ホール効果を示すカゴメ格子強磁性体Fe3Sn2に着目し、 VUV-ARPES と SX-ARPES によりその電子状態を観測した。またDFT計算との比較から、Fe3Sn2の異常ホール効果はワイル磁性体由来であることを明らかにした。Fe3Sn2の基本単位格子は3次元的な菱面体であることから、2次元的な表面状態と3次元的なバルク状態では面内(kx-ky)周期の大きさが異なることを明らかにした。
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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
トポロジカル絶縁体を代表とするトポロジカル物質の非自明なバンドトポロジーは、強いスピン軌道結合によって生じるバンド反転で決まる。これに伴い、結晶表面に特異な電子状態が現れることから、表面敏感な角度分解光電子分光(ARPES)で観測される電子状態をバンド計算と比較しバンドトポロジーの同定が行われてきた。しかしながら、狭ギャップ半導体や半金属などでのバンド計算では、予測される表面状態やトポロジーが計算パラメー ターに敏感に変化してしまう。本研究で我々は、バルク敏感ARPES を利用することで、 バンドトポロジーに対する直接的な実験を Ceモノプニク タイドで実現させた。本年は特に、最も複雑な磁性を示す物質の１つとして知られているセリウムアンチモンの詳細を解明した。通常の磁性体とは異なり、結晶中のスピン配列が通常の20倍にもなる異常に長い周期性を示し、配列の仕方が僅かな温度差で次々と移り変わる。この現象は「悪魔の階段」として呼ばれ1977年の発見から40年以上たった現在でも、そのメカニズムは謎のままである。我々は、「悪魔の階段」で変化するスピン配列と伝導電子を超高精度で測定することで、「悪魔の階段」を誘発するメカニズムを調べた。その結果、伝導電子が長周期で配列したスピンと強く相互作用していることが分かり、さらに伝導電子が擬ギャップ状態を形成することが「悪魔の階段」を引き起こす要因となっていることを示した。本研究により、バルク敏感ARPES測定の新しい実用性が示された。バルク敏感ARPESによるバンド反転観測から、表面に影響されない物質のバンドトポロジーを直接知ることができるため、今後の多彩なトポロジカル物質の発見や開発に向けて強力な実験手法として期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
ホール伝導度の測定や密度汎関数理論(DFT)に基づく理論計算によって、ワイル磁性体であると示唆されている物質はいくつもある。しかし、結晶の3次元性が強く広い劈開面を得られないこと、磁気ドメインによりバンド分散がぼやけてしまうことなどが原因で、ARPES によって実験的にワイル点を直接観測できた例は数少ない。ARPES で得られる電子構造からワイル磁性体の物性を議論するような研究はあまり進んでいないといえる。ARPESでは光電効果により固体結晶から放出された光電子の波数ベクトルとエネルギーを測定し、結晶中での波数ベクトルとエネルギーの関係(バンド分散)を明らかにできる。エネルギーが数十 eV 程度の真空紫外光(VUV)と軟X線(SX)では後者の方が光電子の平均自由行程が長く、SX を用いるとバルク敏感な測定が可能である。我々は、表面敏感なVUV-ARPES とバルク敏感なSX-ARPES の両方を行いその結果を比較することで、ワイル磁性体候補物質における表面とバルクの電子状態を区別して観測する実験を行う。またレーザーARPES装置を改良し、スポットサイズを極限まで小さくすることで空間分解能を向上させる。さらに、偏光顕微鏡を用いた磁気ドメインのその場観察と組み合わせ、特定の磁区だけを選択的にARPES測定できるようにする。残留磁化の大きい磁性体について、 測定層内で試料磁化を可動式磁気コイルにより制御し、磁化制御下での電子構造観測を実現させる。
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[Journal Article] A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide2019
Author(s)
R. Noguchi, T. Takahashi, K. Kuroda, M. Ochi, T. Shirasawa, M. Sakano, C. Bareille, M. Nakayama, M. D. Watson, K. Yaji, A. Harasawa, H. Iwasawa, P. Dudin, T. K. Kim, M. Hoesch, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, S. Shin, R. Arita, T. Sasagawa, T. Kondo
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Journal Title
Nature
Volume: 588
Pages: 518-522
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dirac Surface States in Intrinsic Magnetic Topological Insulators EuSn2As2 and MnBi2nTe3n+12019
Author(s)
H. Li, S.-Y. Gao, S.-F. Duan, Y.-F. Xu, K.-J. Zhu, S.-J. Tian, J.-C. Gao, W.-H. Fan, Z.-Cheng Rao, J.-R. Huang, J.-J. Li, Da-Yu Yan, Z.-T. Liu, W.-L. Liu, Y.-B. Huang, Y.-L. Li, Y. Liu, G.-B. Zhang, P. Zhang, T. Kondo, S. Shin, H.-C. Lei, Y.-G. Shi, W.-T. Zhang, H.-M. Weng, T. Qian, and H. Ding
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW X
Volume: 9
Pages: 41039 (1-10)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Band structure of overdoped cuprate superconductors: Density functional theory matching experiments2019
Author(s)
K.P. Kramer, M. Horio, S.S. Tsirkin, Y. Sassa, K. Hauser, C.E. Matt, D. Sutter, A. Chikina, N. B.M. Schrter, N.C. Plumb, M. Shi, S. Pyon, T. Takayama, H. Takagi, T. Adachi, T. Ohgi, T. Kawamata, Y. Koike, T. Kondo, O. J. Lipscombe, S. M. Hayden, M. Ishikado, H. Eisaki, T. Neupert, J. Chang
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Journal Title
PHYSICAL REVIEW B
Volume: 99
Pages: 224509(1-6)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Density Wave Probes Cuprate Quantum Phase Transition2019
Author(s)
Tatiana A. Webb, Michael C. Boyer, Yi Yin, Debanjan Chowdhury, Yang He, Takeshi Kondo, T. Takeuchi, H. Ikuta, Eric W. Hudson, Jennifer E. Hoffman, and Mohammad H. Hamidian
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Journal Title
Physical Review X
Volume: 9
Pages: 21021 (1-10)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Strongly anisotropic high-temperature Fermi surface of the Kondo semimetal CeNiSn revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy2019
Author(s)
C_dric Bareille, T.-S. Nam, Toshiro Takabatake, Kenta Kuroda, Takeshi Yajima, Mitsuhiro Nakayama, So Kunisada, Shuntaro Akebi, Masato Sakano, Shunsuke Sakuragi, Ryo Noguchi, Byung Il Min, Shik Shin, and Takeshi Kondo
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 100
Pages: 45133 (1-9)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] CeSbのレーザーARPESスペクトルにおけるキンク構造2019
Author(s)
新井陽介, 黒田健太, 櫻木俊輔, 国定聡, 岩佐和晃, 芳賀芳範, 鄭子豪, 宮坂茂樹, 田島節子, 北澤英明, 辛埴, 鈴木博之, 近藤猛
Organizer
日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
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[Presentation] 極性ワイル半金属MoTe2における表面状態のスピン偏極2019
Author(s)
田中佑磨, Mohammad Saeed Bahramy, 高橋英史, 坂野昌人, 黒田健太, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 近藤猛, 辛埴, 石渡晋太郎, 石坂香子
Organizer
日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
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[Presentation] バルク層状磁性体に生じる非従来型異方的超伝導2019
Author(s)
櫻木俊輔, 佐々木秀, 明石遼介, 坂上良介, 黒田健太, C. Bareille, 橋本嵩広, 長島椿, 木下雄斗, 平田靖透, 下澤雅明, 浅井晋一郎, 土居抄太郎, 辻本直人, 國定聡, 野口亮, 黒川輝風, 東伸彦, 平田昂輝, T. K. Kim, C. Cacho, 益田隆嗣, 徳永将史, 和達大樹E, 岡_浩三, 辛埴, 神原陽一, 山下穣, 近藤猛
Organizer
日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
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[Presentation] CuO2面の枚数に依存した多層型銅酸化物超伝導体の電子状態：レーザーARPESとdHvA効果による研究2019
Author(s)
黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴巳, 常盤和靖, 近藤猛
Organizer
日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
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[Presentation] 空間反転対称性の破れた反強磁性体BaMnSb2の特異なディラック電子状態2019
Author(s)
酒井英明, 藤村飛雄吾, 櫻木俊輔, 越智正之, 小島達弘, 徳永将史, 室隆桂之, 黒田健太, 近藤猛, 黒木和彦, 橋爪大輔, 木田孝, 萩原政幸, 近藤雅起, 村川寛, 花咲徳亮
Organizer
日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
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