2019 Fiscal Year Annual Research Report
非共型な結晶対称性を持つ強相関物質の電子状態観測とトポロジーの解明
Project/Area Number |
18H03683
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Research Institution | Hiroshima University |
Principal Investigator |
木村 昭夫 広島大学, 理学研究科, 教授 (00272534)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷田 博司 富山県立大学, 工学部, 准教授 (00452615)
田中 新 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (70253052)
井村 健一郎 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (90391870)
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Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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Keywords | 非共型空間群 / スピン・角度分解光電子分光 / ディラック線ノード半金属 / 強相関電子系 / デュアルフェルミオン法 / 非エルミート性 |
Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は非共型な空間群をとるHfSiSおよびZrSiSなどのディラック線ノード半金属のスピン分解ARPESによる表面やバルクバンドのスピンテクスチャの直接的観測を行い成果を得た。さらには層状反磁性体のMnBi2Te4について放射光やレーザー光を用いたARPESにより、エネルギーギャップの開いた表面状態を観測し、同物質が反強磁性トポロジカル絶縁体であることを実証した。分担者の谷田は非共型な空間群をとる希土類正方晶化合物のCeCoSiについて、初めて単結晶合成に成功し、圧力相図、磁気相図、異方性について初めて知見を得た。関連するLaCoSiとPrCoSiの合成にも成功し、室温高圧X線回折実験の結果、CeCoSiのみ圧力下で構造相転移を示すことやそれがCe4f電子の自由度が関係していることを明らかにした。分担者の田中は、強相関電子系の電子状態を記述するための理論である、デュアルフェルミオン法という方法を用いて、非共型な結晶対称性を持つ強相関系の電子状態をトポロジカルな観点から議論することを目的に据え、その準備段階として、銅酸化物超伝導物質の擬ギャップ相と呼ばれる状態について、正方格子ハバードモデルを用いて調べた。その結果、角度分解光電子分光で観測されているフェルミ準位近くの擬ギャップの形成、それによってフェルミ面の一部が失われたフェルミアークさらにはリッフシッツ転移と呼ばれるフェルミ面のトポロジーが変化する転移等を良く再現することがわかった。分担者の井村は、非エルミート・トポロジカル絶縁体におけるバルクエッジ対応について調べた。非エルミートな量子系は境界条件に敏感なため、トポロジカル系に特徴的なバルクエッジ対応がうまくとれない。修正された周期境界条件を使うことでこの問題を回避できることを示した。本定式化により、トポロジカル絶縁体の概念が自然な形で、非エルミート系に拡張された。
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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
最近代表者の木村を中心に、層状反磁性体のMnBi2Te4について放射光やレーザー光を用いたARPESにより、エネルギーギャップの開いた表面状態を観測し、同物質が反強磁性トポロジカル絶縁体であることを実証した。本成果は2019年12月にNatureに掲載されプレス発表をし日経産業新聞に研究成果に関する記事が掲載された(2020年1月21日6面)。また分担者の谷田らが育成したLaCoSiおよびCeCoSi良質単結晶について放射光を用いた角度分解光電子分光を行い、明確なバンド構造の観測に成功し現在解析を進めている。分担者の谷田は、引き続き非共型な空間群を有す希土類化合物に焦点を絞り、単結晶合成を進めている。これまでにCeCoSiおよびLaCoSiのほか、PrCoSiの合成にも成功した。また近縁の希土類-遷移金属シリサイドの合成にも取り組んでいる。そのほか、スピン軌道結合の大きなビスマスやテルルといった非金属元素を含む希土類化合物の合成にも取り組んでいる。分担者の田中は、多軌道系の計算についてランチョス対角化法を用いた2体グリーン関数の計算精度の問題があり、これを解決するのに時間を要したため、デュアルフェルミオン法の計算を非共型な結晶対称性を持つ系へ適応するためのソフトウエアの開発が予定より遅れている。しかし、1軌道の場合については、2体グリーン関数の計算方法の改善によって、計算をより高精度かつ安定に行えるようになった。分担者の井村は、非エルミート・トポロジカル系のバルクエッジ対応を議論するには、修正された周期境界条件を使うのが良いことを提案した。この境界条件を使うとエルミートな系で確立されたバルクエッジ対応を非エルミートな系に自然な形で一般化することができた。これについて論文にまとめ、学会等でも発表を行なった。
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Strategy for Future Research Activity |
代表者の木村を中心に非共型な空間群を有す希土類化合物に焦点を絞り、高輝度放射光やレーザー光を励起光源とした角度分解光電子分光装置や高効率・3次元スピン角度分解光電子分光装置を用いて、非共型の結晶対称性に起因するバルクのディラックコーンやディラック線ノードに加え、トポロジーの指標となる表面バンド構造や運動量空間での特異な3次元スピン構造を直接観測を行なっていく。分担者の谷田は、今後も、これまで主に進めてきたフラックス法でも様々な単結晶を合成可能だが、るつぼ材との相性や原料の蒸気圧の問題から、合成の難しい化合物が幾つかある。新たに導入した単結晶合成用のブリッジマン炉を用いることで、合成可能な化合物の幅が大きく広がる。これら2つの方法により、角度分解光電子分光測定の可能な純良単結晶合成に引き続き取り組む。分担者の田中は、デュアルフェルミオン法の計算を多軌道系へ適応するためのソフトウエアの開発をできるだけ早く完成させ、非共型な結晶対称性を持つ強相関系の電子状態の計算を行う。また、近年強相関系において、スペクトル関数を表す有効ハミルトニアンの非エルミート性に基づく新しいトポロジカル相の可能性について議論がなされており、銅酸化物超伝導物質の擬ギャップ相はその候補の一つである。この観点からも研究を進めていく。分担者の井村はバルクエッジ対応を非エルミート系に一般化したが、まだその解釈について改良の余地があると思われた。例えば、バルクのエネルギーバンドを記述するブロッホバンド理論も、非エルミート系に適した形で再定式化する必要があると思われる。この点について論文にまとめ投稿中である。例外点近傍の物理や、非共型トポロジカル絶縁体への展開がないか今後検討をすすめていく。
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[Journal Article] Response of bulk and topological states to the antiferromagnetic transition in MnBi2Te42020
Author(s)
D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A. M. Shikin, E. F. Schwier, M. M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S. O. Filnov, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, E. V. Chulkov
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Journal Title
APL Materials
Volume: 8
Pages: 021105/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator2019
Author(s)
M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, Z. S. Aliev, A. M. Shikin, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, E. V. Chulkov, 他34名
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Journal Title
Nature
Volume: 576
Pages: 416-422
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Disentangling orbital and spin textures of surface-derived states in non-symmorphic semimetal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana V. Menshchikova, Igor P. Rusinov, Eike F. Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni V. Chulkov, Akio Kimura
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 100
Pages: 205140/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Element-specific density of states of Co2MnGe revealed by resonant photoelectron spectroscopy2019
Author(s)
Takashi Kono, Masaaki Kakoki, Tomoki Yoshikawa, Xiaoxiao Wang, Kazuki Sumida, Koji Miyamoto, Takayuki Muro, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Kazuki Goto, Yuya Sakuraba, Kazuhiro Hono, Akio Kimura
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 100
Pages: 165120/1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Magnetic-impurity-induced modifications to ultrafast carrier dynamics in the ferromagnetic topological insulators Sb2-xVxTe32019
Author(s)
K. Sumida, M. Kakoki, J. Reimann, M. Nurmamat, S. Goto, Y. Takeda, Y. Saitoh, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, J Guedde, U Hoefer, A. Kimura
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Journal Title
New Journal of Physics
Volume: 21
Pages: 093006/1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Highly anisotropic interlayer magnetoresitance in ZrSiS nodal-line Dirac semimetal2019
Author(s)
M. Novak, S. N. Zhang, F. Orbanic, N. Biliskov, G. Eguchi, A. Kimura, X. X. Wang, T. Osada, K. Uchida, M. Sato, O. V. Yazyev, Q. S. Wu, I. Kokanovic
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 100
Pages: 085137/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V0.04(Sb1-xBix)1.96Te32019
Author(s)
M. Ye, T. Xu, G. Li, S. Qiao, Y. Takeda, Y. Saitoh, S.-Y. Zhu, M. Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, S. Shin, A. Kimura
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 99
Pages: 144413/1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Successive Phase Transition at Ambient Pressure in CeCoSi: Single Crystal Studies2019
Author(s)
Hiroshi Tanida, Keisuke Mitsumoto, Yuji Muro, Tadashi Fukuhara, Yukihiro Kawamura, Akihiro Kondo, Koichi Kindo, Yuji Matsumoto, Takahiro Namiki, Tomohiko Kuwai, Takeshi Matsumura
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Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 88
Pages: 054716/1-10
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Si置換した層状リン化カルコゲナイド超伝導体Zr(P1-x, Six)Seの硬X線光電子分光2020
Author(s)
石坂仁志, 田北仁志, 久保拓也, 宮下剛夫, Wumiti Mansuer, 木村昭夫, 島田賢也, 上田茂典, 鬼頭聖, 石田茂之, 岡邦彦, 後藤義人, 藤久裕司, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 井野明洋
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] Direct evidence of the type-Ⅱ bulk Dirac cone in transition metal dichalcogenides2019
Author(s)
M. Nurmamat, T. Yoshikawa, X. X. Wang, H. Takemoto, S. Eremeev, J. H. Chen, M. Kakoki, T. Kono, T. Muro, K. Zhang, S. Kumar, E. Schwier, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Shimada, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Spin-orbit coupling effect on bulk and surface states of the Dirac nodal line semimetal Hf1-xZrxSiS2019
Author(s)
X. X. Wang, J. H. Chen, M. T. Zheng, M. Novak, F. Orbanic, E. F. Schwier, S. L. Wu, K. Sumida, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, M. Nurmamat, T. Okuda, K. Shimada, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Element-specific density of states of Co2MnGe revealed by resonant photoelectron spectroscopy2019
Author(s)
T. Kono, M. Kakoki, T. Yoshikawa, X. Wang, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Muro, Y. Takeda, Y. Saitoh, K. Goto, Y. Sakuraba, K. Hono, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Unveiling spin-dependent unoccupied electronic states of Co2MnGe (Ga) film via Ge (Ga) L2,3 absorption spectroscopy2019
Author(s)
T. Yoshikawa, T. Kono, M. Kakoki, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takeda,Y. Saitoh, K. Goto, Y. Sakuraba, K. Hono, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Current-Induced Magnetization of CeRu2Al102019
Author(s)
Akinari Koriki, Masataka Yamamoto, Nana Shikanai, Hiraku Saito, Chihiro Tabata, Hiroyuki Hidaka, Tatsuya Yanagisawa, Hiroshi Tanida, Takeshi Matsumura, Masafumi Sera, Hiroshi Amitsuka
Organizer
International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019 (SCES2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Magnetic Properties in Tetragonal Antiferromagnet CeCoSi2019
Author(s)
Hiroshi Tanida, Keisuke Mitsumoto, Yuji Muro, Tadashi Fukuhara, Yukihiro Kawamura, Akihiro Kondo, Koichi Kindo, Yuji Matsumoto, Takahiro Namiki, Tomohiko Kuwai, Takeshi Matsumura
Organizer
International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019 (SCES2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Exchange interaction in ferromagnetic topological insulator V-doped (Sb,Bi)2Te32019
Author(s)
Mao Ye, Tao Xu, Gang Li, Shan Qiao, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Siyuan Zhu, Munisa Nurmamat, Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Shik Shin, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Topologically non-trivial phase-change compound GeSb2Te42019
Author(s)
Munisa Nurmamat, K. Okamoto, S. Y. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, Y. Ishida, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. X. Wang, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanlyg, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Synchrotron radiation ARPES study of Dirac electron systems including rare earth elements2019
Author(s)
Tomoki Yoshikawa, Yuto Kitayama, Xiaoxiao Wang, Hideaki Iwasawa, Masaaki Kakoki, Takashi Kono, Hironoshin Oda, Shusuke, Ozawa, Shiv Kumar, Eike Schwier, Kenya Shimada, Takayuki Muro, Hiroshi Tanida, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Disentangling Orbital and Spin Textures in surface-derived states in non-symorphic crystal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana V. Menshchikova, Igor P. Rusinov, Eike F. Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni Chulkov, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Direct evidence of the bulk Dirac cone in the transition metal dichalcogenides2019
Author(s)
Nurmamat Munisa, Wang Xiaoxiao, Takemoto Hiroko, Yoshikawa Tomoki, Chen Jiahua, Kakoki Masaaki, Kono Takashi, Zhang Ke, Kumar Shiv, Schwier Eike, Shimada Kenya, Miyamoto Koji, Okuda Taichi, Kimura Akio
Organizer
日本物理学会2019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2019
Author(s)
吉川智己, 河野嵩, 鹿子木将明, 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, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] Disentangling Orbital and Spin Textures in Dirac Nodal-Line Semimetal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana Menshchikova, Igor Rusinov, Eike Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni Chulkov, Akio Kimura
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 共鳴光電子分光によるホイスラー型 Co2MnGe 薄膜の部分状態密度の観測2019
Author(s)
河野嵩, 鹿子木将明, 吉川智己, Xiaoxiao Wang, 角田一樹, 宮本幸治, 室隆桂之, 竹田幸治, 斎藤祐児, 後藤一希, 桜庭裕弥, 宝野和博, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 希土類元素を含むディラック電子系の放射光ARPES2019
Author(s)
吉川智己, 北山悠斗, Wang Xiaoxiao, 岩澤英明, 鹿子木将明, 河野嵩, 尾田拓之慎, 小澤秀介, Shiv Kumar, Eike Schwier, 島田賢也, 室隆桂之, 谷田博司, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] CeRu2Al10における電流誘起磁化とその解釈2019
Author(s)
高力暁成, 山本将隆, 鹿内奈南, 齋藤開, 田端千紘, 日高宏之, 柳澤達也, 網塚浩, 谷田博司, 松村武, 世良正文
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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