2020 Fiscal Year Research-status Report
単原子磁石と磁気結合したトポロジカル近藤絶縁体のスピン偏極表面状態
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20K21119
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
宮町 俊生 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (10437361)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 走査トンネル顕微鏡 / トポロジカル絶縁体 / 磁性単一原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強い電子相関（近藤効果）により低温で金属-絶縁体転移を起こす近藤絶縁体SmB6は近年トポロジカル絶縁体と理論的に予測され、トポロジカル近藤絶縁体として再び注目を集めている。SmB6のトポロジカル絶縁体としての物性を明らかにするために多くの研究が今日、精力的に行われているが、極低温環境下でバンドギャップ中に現れる金属的な状態がトポロジカル表面状態に由来するかどうかについては未だ明確な結論が出ていない。さらに、トポロジカル表面状態発現において強い電子相関が担う役割に至っては多くの点が未解明である。
2017年10月、研究代表者はアルゴンスパッタリングと加熱処理により大面積で均一なSmB6(001)表面を作製できることを走査トンネル顕微鏡(STM)による原子分解能構造観察によって見出した。さらに、STM分光測定から極低温環境下でバンドギャップ中に現れる金属的な状態が表面状態であり、トポロジカル絶縁体としての特徴を強く反映していることを明らかにした [T. Miyamachi et al., Sci. Rep. 7, 12837 (2017).]。
本研究ではこれを発展させ、大面積・均一で原子欠陥フリーなSmB6(001)表面の電子状態をSTM局所準粒子干渉測定により調べ、SmB6のトポロジカルな性質（ディラック電子状態）を実空間のみならず波数空間からもアプローチして根源的に解明する。さらに、SmB6(001)表面上に磁性単一原子を作製し、両者の間に働く磁気相互作用を利用して近藤効果（強い電子相関）がSmB6のトポロジカル表面状態の発現にどのように関係しているかを明らかにする。
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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
本年度の研究計画の中心である大面積・均一・原子欠陥フリーなSmB6表面作製法の確立について取り組み、SmB6(001)表面の構造と電子状態の加熱温度・加熱時間依存性を調べた。試料加熱によるSmB6(001)表面のSm原子の脱離を抑制しながら、加熱時間を延ばして表面の原子拡散を十分に促すことがSmB6(001)単一表面を作製する上で重要であることが明らかになった。さらに、加熱温度の精密制御によりp(1×1)表面とc(2×2)再配列表面の2種類の表面構造を作製できることがわかった。本研究により、マクロ構造評価手法では判断できない原子スケールでの表面不均一性の問題をSTMによる原子スケールその場観察により解決できることが示された。これらの研究成果については国内学会で発表を行い、学術雑誌に論文投稿準備中である。さらに、本研究で確立した単一表面作製法を他のバルク試料にも適用することに成功し、関連研究についても進展させることができた。また、構造制御したSmB6(001)表面のSTM局所準粒子干渉測定を行い、バンド分散ついての情報を得ることに成功した。今後、解析を進めSmB6のディラック電子状態の解明に取り組む。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度はSTMによる原子スケール構造観察と成長条件の精密制御により、面積・均一・原子欠陥フリーなSmB6(001)表面の作製法を確立することができた。2021年度は測定条件を変えてSmB6(001)表面のSTM局所準粒子干渉測定を引き続き行い、これまでに報告例の無いSmB6(001)表面のディラック電子状態を観測し、SmB6をトポロジカル絶縁体と実験的に同定する。本研究では大面積・均一・原子欠陥フリーな試料を用いるため、実空間での測定範囲を広くとって、高い波数分解能でのディラック電子状態の議論が可能である。また、研究計画の中心であるSmB6(001)表面に磁性単一原子を吸着させた系のSTM分光測定を行う。磁性単一原子との磁気相互作用に伴うSmB6(001)表面の近藤状態の空間変調をトポロジカル表面状態と原子分解能で同時検出し、強い電子相関がトポロジカル表面状態の発現に及ぼす影響を理解することを試みる。得られた研究成果については国内外の学会で発表を行い、実験データの解析がまとまり次第、随時学術雑誌に論文投稿していく。さらに、本研究で確立した単一表面作製法を他のバルク試料にも適用し関連研究についても進展させる。
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| Causes of Carryover |
今年度はコロナウイルスの影響で実験装置の改造のための設備備品費、消耗品の使用および旅費の使用が当初の予定より抑えられた。翌年度分として請求した助成金と合わせて実験装置の改造、実験、研究成果発表のための旅費等を使用する。
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[Journal Article] Twisted bilayer graphene fabricated by direct bonding in a high vacuum2020
Author(s)
Hitoshi Imamura, Anton Visikovskiy, Ryosuke Uotani, Takashi Kajiwara, Hiroshi Ando, Takushi Iimori, Kota Iwata, Toshio Miyamachi, Kan Nakatsuji, Kazuhiko Mase, Tetsuroh Shirasawa, Fumio Komori, Satoru Tanaka
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 13
Pages: 075004
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] SiC(0001)上のツイストグラフェンの電子状態のツイスト角度依存性2020
Author(s)
飯盛拓嗣, 今村均, 魚谷亮介, 宮町俊生, 服部琢磨, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, 梶原隆司, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
Organizer
日本物理学会2020年秋季大会
