カルコゲナイド原子層薄膜のトポタクティック合成と新奇物性開拓

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01847
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 角度分解光電子分光 / カルコゲナイド / トポタクティック / 電子状態

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引き続いて分子線エピタキシー装置に併設したトポタクティック反応装置の改良に取り組み、真空度の向上ならびに加熱機構の高機能化を実現した。また、スピン分解・高分解能角度分解光電子分光(ARPES)装置の制御プログラムを一新してARPES測定の高効率化を達成した。
改良した装置を用いることで、鉄系超伝導体、トポロジカル物質、遷移金属カルコゲナイド、カゴメ格子物質の高分解能ARPES測定を行い、元素置換やアルカリ金属吸着を駆使した物性制御の実現、及び電子状態の解明に取り組んだ。その結果、鉄系高温超伝導体FeSeの薄膜において、構造相転移を伴わない純粋なネマティック秩序状態を見出した。また、この新奇な秩序を特徴付ける電子状態が、薄膜の厚さに依存して顕著な変化を示すことを明らかにした。遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜では、カルコゲン元素比やアルカリ金属蒸着量を系統的に変化させることで2x2構造のCDWを発現・制御することに成功し、CDWの発現機構についても理解の進展があった。また、遷移金属モノカルコゲナイド粉末のバンド状態を初めて直接観測し、異方的な有効質量などの特徴を明らかにした。ラインノードを持つトポロジカル半金属では、超伝導に関与する電子軌道をARPESによって同定し、電子状態とTcとの関係について新たな知見を得た。さらに、アルカリ金属元素を置換したカゴメ格子物質において、表面の極性やアルカリ金属種に依存して電荷秩序の有無や周期性が変化する様子を電子状態の立場から解明した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • Author(s): Sugawara Katsuaki、Kusaka Haruki、Kawakami Tappei、Yanagizawa Koki、Honma Asuka、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Miyakawa Masashi、Taniguchi Takashi、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Orimo Shin-ichi、Toyoda Masayuki、Saito Susumu、Kondo Takahiro、Sato Takafumi
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Pages: 1673～1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge order with unusual star-of-David lattice in monolayer NbTe2 (2023)
  • Author(s): Taguchi Taiki、Sugawara Katsuaki、Oka Hirofumi、Kawakami Tappei、Saruta Yasuaki、Kato Takemi、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takahashi Takashi、Fukumura Tomoteru、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: L041105
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L041105
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fermiology of a topological line-nodal compound CaSb2 and its implication to superconductivity: angle-resolved photoemission study (2022)
  • Author(s): Chuang Chien-Wen、Souma Seigo、Moriya Ayumi、Nakayama Kosuke、et al.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Pages: 104203
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.104203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fermiology and Origin of Tc Enhancement in a Kagome Superconductor Cs(V1－xNbx)3Sb5 (2022)
  • Author(s): Kato Takemi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Matsui Fumihiko、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Pages: 206402
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.206402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional energy gap and origin of charge-density wave in kagome superconductor KV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Kato Takemi、Li Yongkai、Kawakami Tappei、Liu Min、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Moriya Ayumi、Tanaka Kiyohisa、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • Journal Title: Communications Materials Volume: 3 Pages: 30
  • DOI: 10.1038/s43246-022-00255-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] カルコパイライト構造物質CdGeAs_2のバルク・表面状態：高分解能ARPES (2023)
  • Author(s): 岩谷拓実、守谷歩美、中山耕輔、本間飛鳥、加藤剛臣、川上竜平、菅原克明、相馬清吾、田中清尚、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、高橋隆、瀬川耕司、佐藤宇史
  • Organizer: 第36回 日本放射光学会年会・放射光科学 合同シンポジウム
• [Presentation] Micro-ARPES study of the kagome superconductor CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): "Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato"
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロARPESによるカゴメ超伝導体AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs)の電子状態 (2023)
  • Author(s): 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Min Liu, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 新規トポロジカル絶縁体候補物質CdGeAs_2のARPES (2023)
  • Author(s): 岩谷拓実、守谷歩美、中山耕輔、本間飛鳥、加藤剛臣、川上竜平、菅原克明、相馬清吾、田中清尚、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、高橋隆、瀬川耕司、佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] マイクロARPESによるFeSe薄膜の純粋ネマティック相の電子状態 (2023)
  • Author(s): 中山耕輔，鍋島冬樹，久保田雄也，相馬清吾，田中清尚，北村未歩，堀場弘司，組頭広志，高橋 隆，矢橋牧名，前田京剛，佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 原子層VSxTe2-x薄膜の電子構造 : 高分解能ARPES (2023)
  • Author(s): 川上竜平, 八重樫健, 栁沢幸紀, 安藤龍一, 中山耕輔, 菅原克明, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史"
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] High-resolution micro-ARPES studies of monolayer VS2 grown on bilayer graphene (2022)
  • Author(s): T. Kawakami, K. Sugawara. Oka, K. Nakayama, K. Yaegashi, S. Souma, T. Takahashi T. Fukumura and Takafumi Sato
  • Organizer: The 10th International Workshop on 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-resolution ARPES study of a kagome superconductor Cs(V1-xNbx)3Sb5 (2022)
  • Author(s): "Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Fumihiko Matsui, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato"
  • Organizer: International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ARPES observation of charge-density wave gaps and their evolution by carrier injection in a kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): K. Nakayama, Y. Li, T. Kato, M. Liu, Z. Wang, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
  • Organizer: Materials and mechanisms of superconductivity 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-Dimensional Nature of Charge-Density Wave in Kagome Superconductor KV3Sb5 Studied by ARPES (2022)
  • Author(s): T. Kato, Y. Li, T. Kawakami, M. Liu, K. Nakayama, Z. Wang, A.Moriya, K. Tanaka, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
  • Organizer: 13th International Conference on Materials and mechanisms of Superconductivity & High Temperature Superconductors（M2S)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic structure of monolayer VS2 thin film studied by ARPES (2022)
  • Author(s): T. Kawakami, H. Oka, K. Yaegashi, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Kato, Y. Saruta, S. Souma, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, T. Fukumura, T. Sato
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Micro-ARPES study of Bismuth (2022)
  • Author(s): 守谷歩美, 中山耕輔, 徳山敦也, 前田健作, 川上竜平, 相馬清吾, Chaoyu Chen, Jose Avila, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 藤原航三, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CDW-induced anisotropic energy gap and its evolution by carrier doping in a kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): K. Nakayama, Y. Li, T. Kato, M. Liu, Z. Wang, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fermiology of Kagome Superconductors AV3Sb5 Studied by ARPES (2022)
  • Author(s): Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Takashi Takahashi, YuguiYao, and Takafumi Sato
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子層 VS2 の電子状態 : μ-ARPES (2022)
  • Author(s): 川上竜平，菅原克明，岡 博文，中山耕輔，八重樫 健，相馬清吾，北村未歩，堀場弘司，組頭広志，高橋 隆，福村知昭，佐藤宇史
  • Organizer: 日本放射光学会 第14回若手研究会 次世代放射光で切り拓く軟X線科学
• [Presentation] 新型トポロジカル物質候補CdGeAs2のARPES (2022)
  • Author(s): 岩谷 拓実, 守谷 歩美, 中山 耕輔, 本間飛鳥, 加藤 剛臣, 川上 竜平, 菅原克明, 相馬 清吾, 田中 清尚, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 高橋 隆, 瀬川 耕司, 佐藤 宇史
  • Organizer: 日本放射光学会 第14回若手研究会 次世代放射光で切り拓く軟X線科学
• [Presentation] カゴメ超伝導体のマイクロARPES (2022)
  • Author(s): 中山耕輔
  • Organizer: 日本放射光学会 第14回若手研究会 次世代放射光で切り拓く軟X線科学
  • Invited
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるカゴメ超伝導体KV3Sb5の異方的CDWギャップの観測 (2022)
  • Author(s): 加藤剛臣, 川上竜平, 守谷歩美, 中山耕輔, Yongkai Li, Min Liu, Zhiwei Wang, 田中清尚, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5におけるNb置換効果：高分解能ARPES (2022)
  • Author(s): 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾,松井文彦, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 原子層 NbS2 薄膜の電子状態:マイクロ ARPES (2022)
  • Author(s): 川上竜平, 八重樫 健, 栁沢幸紀, 中山耕輔 ,菅原克明, 相馬清吾, 北村未歩,堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] S照射したトポロジカル絶縁体Bi2Te3のARPES (2022)
  • Author(s): 中山耕輔, 小林広樹, 川上竜平, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5のドメイン分割マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾,北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体候補カルコパイライト構造物質のARPES (2022)
  • Author(s): 岩谷 拓実, 守谷 歩美, 中山 耕輔, 本間飛鳥, 加藤 剛臣, 川上 竜平, 菅原克明, 相馬 清吾,田中 清尚, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 高橋 隆, 瀬川 耕司, 佐藤 宇史"
  • Organizer: 日本物理学会 2022年 秋季大会
• [Presentation] 原子層MoTe2の電子状態:マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 菅原克明, 猿田康朗，岡博文，川上竜平, 加藤剛臣, 中山耕輔, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史,
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Surface-termination-dependent electronic states in a kagome superconductor CsV3Sb5 studied by micro-ARPES (2022)
  • Author(s): Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  • Organizer: The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 角度分解光電子分光によるカゴメ超伝導体AV3Sb5のCDW状態 (2022)
  • Author(s): 加藤剛臣、川上竜平、中山耕輔、Yongkai Li、Min Liu、Zhiwei Wang、守谷歩美、相馬清吾、松井文彦、田中清尚、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、高橋 隆、Yugui Yao、佐藤宇史
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022