Study of superconductors by laser-ARPES

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00651
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 辛 埴 東京大学, 特別教授室, 特別教授 (00162785)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡崎 浩三 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40372528) ; 近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 光電子分光 / 超伝導 / マヨラナ粒子 / スピン偏極光電子分光 / 時間分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

近年、全く新しい概念を持った超伝導体が出現してきた。光誘起超伝導とトポロジカル超伝導体である。前者は、超短パルスレーザー光で生成した超伝導のヒッグス粒子が観測されることにより、光誘起超伝導のメカニズムを明らかにする事が出来る。一方、後者は、極限まで微小エネルギーを計測するARPESが可能になったことにより、素粒子では発見されていないマヨラナ粒子が固体内で発見される可能性が出てきた。
本研究では、これまで築いた現有のレーザー光電子分光の装置（レーザー超高分解能極低温光電子分光装置とレーザー時間分解光電子分光装置）を有効に活用し、最大限に成果を上げるよう光誘起超伝導とトポロジカル超伝導の研究を行う。
（１）レーザー超高分解能極低温光電子分光においては、すでに発見したトポロジカル超伝導体の研究をさらに深め、ほかにも同様なトポロジカル超伝導体がないかの探索を続ける。さらに、光電子顕微鏡（PEEM)を用いて、超伝導体のメゾスコピックな電子構造の研究を始める。
（２）レーザー時間分解光電子分光においては、すでに我々は鉄系超伝導体の母物質において初めて、光誘起超伝導の兆しを発見している。これらの研究をさらに発展させ、光誘起超伝導が確実に起きているかどうかを検証するために、特に、ポンプ光の近赤外光やテラヘルツ光の開発を行い、特定のフォノンを励起できるように時間分解光電子分光装置の改造を行う。また、鉄系以外にも光誘起超伝導を起こす物質がないかどうか物質探索も更に行う。
この二つの光電子分光装置は、全国共同利用を通じて、様々な共同利用者の知恵を借り、新奇物質の開発や新奇物性の開発も行う。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

（１）昨年度から行っているレーザー超高分解能極低温光電子分光を用いて、鉄系超伝導体や超伝導体表面に存在するトポロジカル物質表面に発現するトポロジカル超伝導の研究を更に深化させた。特に、以下の論文を出版し、新規超伝導物質の開発を行う事ができた。
・Bose-Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state, T.Hashimoto,et,al., Science Advances.6,9052(2020)
・Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor, S.Kunisada,et.al., Science 369,833-838(2020)

（２）レーザー時間分解光電子分光においては、世界でもまれな共同利用ができる中赤外、テラヘルツ光励起の時間分解光電子分光の開発を行い、論文リストに記載されているように、多くの研究者と時間分解光電子分光装置の様々な共同利用を行った。その結果、実験装置を用いて、鉄系超伝導関係物質にとどまらず、ナノ物質の光誘起相転移の研究を行った。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、これまで築いた現有のレーザー光電子分光の装置（レーザー超高分解能極低温光電子分光装置とレーザー時間分解光電子分光装置）を有効に活用し、最大限に成果を上げるよう光誘起超伝導とトポロジカル超伝導の研究を行う予定である。
（１）行っているレーザー超高分解能極低温光電子分光は順調に成果を出しているので、このまま、更に深化させる予定である。
（２）レーザー時間分解光電子分光においては、世界でもまれな共同利用ができる中赤外、テラヘルツ光励起時間分解光電子分光装置を用いて、共同利用を通じて鉄系超伝導関係物質や鉄系以外の光誘起相転移の研究を更に行う。

Research Products

• [Journal Article] Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains (2021)
  • Author(s): Noguchi Ryo、Kobayashi Masaru、J. Zhanzhi、Kuroda Ken
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 473～479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • Author(s): Zhang Peng、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Lin Chun、Kawaguchi Kaishu、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Lippmaa Mikk、Nie Simin、Weng Hongming、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Li Qiang、Gu G. D.、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detecting electron-phonon coupling during photoinduced phase transition (2021)
  • Author(s): Suzuki Takeshi、Shinohara Yasushi、Lu Yangfan、Watanabe Mari、Xu Jiadi、Ishikawa Kenichi L.、Takagi Hide、Nohara Minoru、Katayama Naoyuki、Sawa Hiroshi、Fujisawa Masami、Kanai Teruto、Itatani Jiro、Mizokawa Takashi、Shin Shik、Okazaki Kozo
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.L121105
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radial Spin Texture in Elemental Tellurium with Chiral Crystal Structure (2020)
  • Author(s): Sakano M.、Hirayama M.、Takahashi T.、Akebi S.、Nakayama M.、Kuroda K.、Taguchi K.、Yoshikawa T.、Miyamoto K.、Okuda T.、Ono K.、Kumigashira H.、Ideue T.、Iwasa Y.、Mitsuishi N.、Ishizaka K.、Shin S.、Miyake T.、Murakami S.、Sasagawa T.、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.136404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Devil's staircase transition of the electronic structures in CeSb (2020)
  • Author(s): Kuroda Kenta、Arai Y.、Rezaei N.、Kunisada S.、Sakuragi S.、Alaei M.、Kinoshita Y.、Bareille C.、Noguchi R.、Nakayama M.、Akebi S.、Sakano M.、Kawaguchi K.、Arita M.、Ideta S.、Tanaka K.、Kitazawa H.、Okazaki K.、Tokunaga M.、Haga Y.、Shin S.、Suzuki H. S.、Arita R.、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16707-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Massive Suppression of Proximity Pairing in Topological (Bi1_xSbx)2Te3 Films on Niobium (2020)
  • Author(s): Hlevyack Joseph A.、Najafzadeh Sahand、Lin Meng-Kai、Hashimoto Takahiro、Nagashima Tsubaki、Tsuzuki Akihiro、Fukushima Akiko、Bareille Cedric、Bai Yang、Chen Peng、Liu Ro-Ya、Li Yao、Flototto David、Avila Jose、Eckstein N James N.、Shin Shik、Okazaki Kozo、Chiang T.-C.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.236402
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor (2020)
  • Author(s): Kunisada So、Isono Shunsuke、Kohama Yoshimitsu、Sakai Shiro、Bareille Cedric、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Kurokawa Kifu、Kuroda Kenta、Ishida Yukiaki、Adachi Shintaro、Sekine Ryotaro、Kim Timur K.、Cacho Cephise、Shin Shik、Tohyama Takami、Tokiwa Kazuyasu、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Science Volume: 369 Pages: 833～838
  • DOI: 10.1126/science.aay7311
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bose-Einstein condensation superconductivity induced by disappearance of the nematic state (2020)
  • Author(s): Hashimoto Takahiro、Ota Yuichi、Tsuzuki Akihiro、Nagashima Tsubaki、Fukushima Akiko、Kasahara Shigeru、Matsuda Yuji、Matsuura Kohei、Mizukami Yuta、Shibauchi Takasada、Shin Shik、Okazaki Kozo
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Pages: -
  • DOI: 10.1126/sciadv.abb9052
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new Majorana platform in an Fe-As bilayer superconductor (2020)
  • Author(s): Liu Wenyao、Cao Lu、Zhu Shiyu、Kong Lingyuan、Wang Guangwei、Papaj Michal、Zhang Peng、Liu Ya-Bin、Chen Hui、Li Geng、Yang Fazhi、Kondo Takeshi、Du Shixuan、Cao Guang-Han、Shin Shik、Fu Liang、Yin Zhiping、Gao Hong-Jun、Ding Hong
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19487-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoinduced Phase Transition from Excitonic Insulator to Semimetal-like State in Ta2Ni1-xCoxSe5 (x = 0.10) (2020)
  • Author(s): Mitsuoka Takumi、Suzuki Takeshi、Takagi Hidenori、Katayama Naoyuki、Sawa Hiroshi、Nohara Minoru、Watanabe Mari、Xu Jiadi、Ren Qianhui、Fujisawa Masami、Kanai Teruto、Itatani Jiro、Shin Shik、Okazaki Kozo、Mizokawa Takashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 124703～124703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.124703
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間分解ARPESで調べる電荷密度波物質VTe2の光誘起トポロジカル表面状態 (2021)
  • Author(s): 三石夏樹, 鈴木剛, 上谷学, 渡邉真莉, 任千慧, 劉珂成, 藤澤正美, 金井輝人, 板谷治郎, 酒井英明, 高橋英史, 石渡晋太郎, 岡崎浩三, 辛埴, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 10.7 eV レーザーによるトポロジカル表面状態の偏光依存スピン分解 ARPES (2021)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 谷俊太郎, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高次高調波レーザー時間角度分解光電子分光を用いたSmSの価数転移ダイナミクス (2021)
  • Author(s): 中村拓人, 渡邊浩, , 鈴木剛, 任千慧, 劉珂成, 金井輝人, 板谷治郎, 辛埴, 岡﨑浩三, 井村敬一郎, 鈴木博之, 佐藤憲昭, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] レーザー励起光電子顕微鏡を用いたSrVO3における強磁性ドメインの観察 (2021)
  • Author(s): 影山遥一, 児玉壮平, 水上雄太, 谷内敏之, 橋本顕一郎, A. F. Santander-Syro, 辛埴, 芝内孝禎
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光で観察した希薄キャリア超伝導体におけるフラットバンド構造 (2021)
  • Author(s): 秋元優紀, 黒田健太, 越智正之, 川口海周, 櫻木俊輔, 新井陽介, 万宇軒, 黒川輝風, 田中宏明, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 辛埴, 平井大悟郎, 廣井善二, 山田高広, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 高次高調波レーザー時間分解ARPESによる1T-TaS2における光誘起金属相と電子-格子相互作用の研究 (2021)
  • Author(s): 任千慧, 鈴木剛, 金井輝人, 板谷治郎, 辛埴, 岡崎浩三
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光による Ce モノプニクタイドの多体相互作用の観測 (2021)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 黒川輝風, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] ハーフメタル候補物質CoS2のスピン分解電子構造 (2021)
  • Author(s): 藤原弘和, 寺嶋健成, 脇田高徳, 矢野佑幸, 細田渉, 片岡範行, 照屋淳志, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 黒田健太, 辛埴, 堀場弘司, 組頭広志, 大槻純也, 竹森那由多, H.O. Jeschke, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光によるFe(Se, S)の非ネマティック相における超伝導状態の研究 (2021)
  • Author(s): 長島椿, 橋本嵩広, Sahand Najafzadeh, 大内俊一郎, 鈴木剛, 福島昭子, 笠原成, 松田祐司, 松浦康平, 水上雄太, 橋本顕一郎, 芝内孝禎, 辛埴, 岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 原子層ラシュバ型超伝導体の電子輸送研究 (2021)
  • Author(s): 横田健太, 吉澤俊介, 小林宇宏, 中田慶隆, 矢治光一郎, 小森文夫, 辛埴, 坂本一之, 内橋隆
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 反強磁性体CeSbの「悪魔の階段」と共に発達する磁気ポーラロン状態の観測 (2020)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, Z. H. Tin, 櫻木俊輔, C. Bareille, 明比俊太朗, 黒川輝風, 木下雄斗, W. L. Zhang, , 辛埴, 徳永将史, 宮坂茂樹, 田島節子, 芳賀芳範, 北澤英明, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ARPESとマイクロ波インピーダンス顕微鏡で解明する擬一次元ビスマスハライドの積層依存トポロジカル相 (2020)
  • Author(s): 野口亮, 小林賢, 黒田健太, 高橋敬成, Z. Jiang, Z. Xu, D. Lee, 平山元昭, 越智正之, 白澤徹郎, P. Zhang, C. Lin, C. Bareille, 櫻木俊輔, 田中宏明, 國定聡, 黒川輝風, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, V. Kandyba, H. Giampietri, . Barinov, T. Kim, C. Cacho, 橋本信, D. Lu, 辛埴, 有田亮太郎, L, K. Lai, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 10.7 eV レーザーを用いた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] カリウム蒸着で希薄ドープ化した綺麗なCuO2面の電子状態：レーザー角度分解光電子分光による研究 (2020)
  • 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, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Study on nanomaterials by the development of ultrahigh resolution laser-photoelectron microscopy (PEEM) (2020)
  • Author(s): Shik SHIN
  • Organizer: The20-th Japan- Korea-Taiwan Workshop on Strongly Correlated Electron Systems
  • Int'l Joint Research / Invited