Optical control of electron-hole correlation in excitonic insulators

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00659
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 溝川 貴司 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90251397)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡村 英一 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (00273756) ; 岡崎 浩三 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40372528)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: エキシトニック絶縁体 / 時間分解光電子分光 / 圧力誘起相転移 / 光誘起相転移 / 電子正孔相関

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の第１の目的は、直接ギャップを持つエキシトニック絶縁体であるTa2NiSe5および関連物質について時間分解光電子分光測定を行い、「通常の半導体相となり電子と正孔の対が結合して発光する領域」「エキシトニック相となる領域」「バンドギャップが崩壊し半金属相となりフェルミ面が形成される領域」という３つの領域を相図上で同定し、各領域での電子正孔ダイナミクスを定量的に解明することである。このうち、今年度は「エキシトニック相となる領域」と「バンドギャップが崩壊し半金属相となる領域」について電子と正孔のダイナミクスを詳細に解明することに成功した。特にTa2NiSe5の光誘起半金属相では、伝導帯と価電子帯が重なるラインノード状態が確認されて、その成果はトポロジカル物性の光制御の観点からも注目されている。
第２の目的であるエキシトニック絶縁体と半金属相の光制御、圧力制御と超伝導相関の関係については、圧力下で半導体相であるTa2NiS5に注目して測定を進めた。Ta2NiS5では半金属相は容易に得られないことが分かり、光誘起によって半金属相が得られることと対照的な結果となった。光制御に関しては、Coドープによってバンドギャップを抑制した系で光誘起半金属相が容易に得られることを発見した。
さらに、今年度途中から博士研究員１名が研究に参加し、Ta2NiSe5の原子層結晶の作製を開始した。剥離法によって試料を作製し、偏光顕微鏡、原子間力顕微鏡、光電子分光によって評価するシステムが完成した。当初の予算計画を変更して高精度の偏光顕微鏡を導入したことによって、より効率的にシリコンやグラファイトなど各種基板上でTa2NiSe5の原子層結晶の作製を行うことが可能になった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

原子層結晶の開発を進めるために2020年度当初から博士研究員１名を海外から雇用する予定であったが、コロナ禍によって困難となった。幸運にも2020年度途中から国内で優秀な人材を博士研究員として雇用することができたため、原子層結晶の開発の遅延は最小限にとどめることができた。2020年度の後半からは研究は順調に進展しているが、当初の計画からは少し遅れている状況である。

Strategy for Future Research Activity

今年度までの研究によって、第１の目的のうち「エキシトニック相となる領域」と「バンドギャップが崩壊し半金属相となる領域」について電子と正孔のダイナミクスを詳細に解明することに成功した。今後は、「半導体相となり電子と正孔の対が結合して発光する領域」に重点を置いて、光励起によるバンド構造変化の光励起強度依存性を詳細に研究する計画である。圧力下の赤外分光測定についても、半導体相であるTa2NiS5に注目して、系統的な測定を進める。これらの測定によって、第１の目的は達成されると期待される。
第２の目的である光誘起半金属相での電子正孔相関および超伝導相関については、今年度までにCoドープによってバンドギャップを抑制した系で光誘起半金属相が容易に得られることが確認されている。今後はこの知見に基づいて、Coドープ系の光誘起半金属相において、電荷揺らぎによる超伝導相関成長の観測を試みる計画である。超伝導相関の観測のためには時間分解光電子分光装置のエネルギー分解能を向上させることが有効であり、測定系の改善も進める。圧力下の半金属相については、超伝導相関と電子正孔揺らぎとの関係について測定を進める計画である。
原子層結晶の開発については、様々な基板上に厚みを変えながら試料を作製してバンド構造を計測するとともに、光誘起相転移の有無を調べる計画である。原子層結晶においてエキシトニック相の光制御を行うことができれば、新規な光デバイス開発への足掛かりが得られると期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ローマ大学(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: ローマ大学
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク研究所
• [Journal Article] Evolution of the Fermi surface in superconductor PrO1-xFxBiS2 (x = 0.0, 0.3, and 0.5) revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • Author(s): T. Morita, Y. Matsuzawa, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: 094510-1, 5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094510
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detecting electron-phonon coupling during photoinduced phase transition (2021)
  • Author(s): Takeshi Suzuki, Yasushi Shinohara, Yangfan Lu, Mari Watanabe, Jiadi Xu, Kenichi L. Ishikawa, Hide Takagi, Minoru Nohara, Naoyuki Katayama, Hiroshi Sawa, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Takashi Mizokawa, Shik Shin, and Kozo Okazaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Pages: L121105-1, 6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.L121105
  • Peer Reviewed / 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): Takumi Mitsuoka, Takeshi Suzuki, Hidenori Takagi, Naoyuki Katayama, Hiroshi Sawa, Minoru Nohara, Mari Watanabe, Jiadi Xu, Qianhui Ren, Masami Fujisawa, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Shik Shin, Kozo Okazaki, and Takashi Mizokawa
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 124703-1, 6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.124703
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Momentum Dependent Band Renormalization and Surface Aging Effect on a Zone Center Electron Pocket in NaSn2As2 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Yuka Akabane, Taiki Shimaiwa, Yosuke Goto, Yoshikazu Mizuguchi, Takayoshi Yokoya, Masashi Arita, Shiv Kumar, Eike F. Schwier, Kenya Shimada, Naurang L. Saini, and Takashi Mizokawa
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 114707-1, 7
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.114707
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 励起子絶縁体関連物質Ta2Ni(Se1-xSx)5の高圧赤外分光 (2021)
  • Author(s): 松井勇太, 三木克哲, 溝川貴司, 魯楊帆, 片山尚幸, 野原実, 高木英典, 森脇太郎, 池本夕佳, 岡村英一
  • Organizer: PSH-96 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] ハニカム格子d-pモデルのスピン軌道秩序と金属絶縁体転移 (2021)
  • Author(s): 林元輝, 溝川貴司
  • Organizer: 14aH2-10 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 蜂の巣格子上のp電子系の対称性とバンド構造 (2020)
  • Author(s): 林元輝, 溝川貴司, 島岩泰暉
  • Organizer: PSD-5 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] バンド計算によるTa2Ni1-xCoxSe5のCo 置換効果 (2020)
  • Author(s): 高橋優, 溝川貴司
  • Organizer: PSH-96 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] CaKFe4As4の特異なフェルミ面構造 (2020)
  • Author(s): 氷上颯馬, 森綱尚輝, 溝川貴司, 石田茂之, 永崎洋, 伊豫彰, 今井基晴, 阿部英樹, 有田将司, Shiv Kumar, Eike F. Schwier, 島田賢也, N.L. Saini
  • Organizer: 9aH1-4 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] NaSn2As2におけるバンド構造の温度依存性 (2020)
  • Author(s): 赤羽祐香, 後藤陽介, 水口佳一, 横谷尚睦, Shiv Kumar, Eike F.Schwier, 島田賢也, N.L.Saini, 溝川貴司
  • Organizer: 11aH1-1 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるカイラル結晶IrGe4の電子状態 (2020)
  • Author(s): 島岩泰暉, 密岡拓心, 溝川貴司, 大村瑠美, 千葉優馬, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二, 島田賢也, Shiv Kumar, Eike F. Schwier, A. Barinov, V. Kandyba, A. Giampietri, N.L. Saini
  • Organizer: 11pH1-3 日本物理学会 2020年秋季大会