Search for exotic quasiparticles by angle-resolved photoemission spectroscopy

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H04435
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐藤 宇史 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (10361065)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 相馬 清吾 東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489) ; 中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547) ; 菅原 克明 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Keywords: エキゾチック準粒子 / 角度分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

研究開始初年度である本年度は、角度分解光電子分光(ARPES)-分子線エピタキシー(MBE)複合装置の開発と、それを用いたエキゾチック準粒子の探索を行った。装置開発においては極端紫外レーザー光源の集光系の調整を行い、試料上において数10ミクロンのスポットサイズで空間位置を指定して高分解能ARPES実験ができるようにした。MBE装置の開発では、蒸着源や試料基板などに改良を施すことで、高い表面清浄性を保ったままMBEで作製した原子層薄膜のARPES実験ができるような装置全体の調整を行った。本装置や高輝度放射光を用いて、主に以下に示す研究成果を得た。MBE法によりNbSe2およびTaSe2原子層薄膜の作製に成功し、これらの物質が熱や光に対して極めて強固な二次元モット絶縁体であることを明らかにした。微小スポットARPESを用いてトポロジカル絶縁体Bi2Se3の表面を走査して電子状態を決定した結果、表面におけるディラック準粒子の顕著な空間変調を明らかにすることに成功した。Pb/Biヘテロ超薄膜のエピタキシャル成長に成功し、超伝導近接効果により、ラシュバ型スピン軌道相互作用によってスピン分裂したBiのエネルギーバンドに超伝導ペアリング起源のエネルギーギャップを誘起することに成功し、この系がトポロジカル超伝導になる可能性を考察した。カゴメ超伝導体AV3Sb5 (A=K, Cs)の電子構造を高分解能ARPESによって決定し、バンド構造とフェルミ面の全体像を初めて明らかにすることに成功した。さらに、複数の電子軌道がディラック準粒子バンドを形成することを見出した。また、電荷密度波(CDW)に起因した明確なエネルギーギャップの観測に成功した。このギャップは顕著な波数依存性を示し、エネルギーバンドがファンフォーベ特異点を持つブリルアンゾーンのM点近傍において極大となることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ARPES-MBE複合装置の開発においては、微小スポット低エネルギー励起光源系の開発・調整が進み、高精度の空間分解ARPES実験が行えるようになった。遷移金属ダイカルコゲナイドであるNbSe2およびTaSe2の原子層薄膜では、バルクの物質とは大きく異なり、様々な外的擾乱（熱、光、キャリア注入）に対して極めて強固な「２次元モット絶縁相」を見出すことに成功した。この成果は、電子相関と次元性の絡み合いがこの新奇なモット絶縁相を実現する鍵となることを示すだけでなく、本研究で目指すARPESとMBEの融合が、新奇量子相の探索において有効であることを示している。今後、この研究を契機にして、２次元モット絶縁体を利用した室温で動作するナノ電子デバイスや、さらにモット相図近傍における超伝導などの巨視的物性探索のための研究が加速すると期待される。以上のことから、本研究は概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、ARPES-MBE複合装置の開発とそれを用いたエキゾチック準粒子の探索を、主に以下の内容について行う。
(1) 空間分割ARPES装置の開発: 今年度は真空紫外レーザーを用いたスピン分解ARPES測定を実現したが、今後はさらに2光子ARPESによってフェルミ準位より上の準粒子バンドにアクセスできるようにする。また、試料位置の精密制御のために、高速クローズドループ制御の試料精動機構を導入して装置各所の除振対策を施すことにより、高精度の空間分割ARPES測定を実現する。
(2) 原子層薄膜作製MBE装置の開発: 今年度に引き続いて、原子層薄膜MBE-ARPES複合装置の整備を行う。MBE試料作製槽内に組み込んだ蒸着源や結晶構造解析システムなどの最適化調整により、いくつかの原子層薄膜の作製とその場構造評価を行う。
(3) マヨラナ準粒子の母体となる超伝導ヘテロ構造の開拓: マヨラナ準粒子探索のためには、超伝導近接効果を用いてラシュバ金属やトポロジカル絶縁体表面に超伝導を誘起するのが有効である。これらと原子層FeSe薄膜などの高温超伝導体との接合をMBEによって作製し、フェルミ面形状と超伝導ギャップを高精度で決定することで、トポロジカル超伝導性を明らかにする。
(4) 磁性トポロジカル物質におけるアキシオンの探索: アキシオンを内包すると期待される反強磁性絶縁体において空間分割ARPES測定を行い、アキシオンの出現に不可欠なバンド反転構造やディラックバンドにけるエネルギーギャップの有無を明らかにすることで、アキシオンの存在についての確証を得る。
(5) 結晶対称性に基づいた多重ノーダル準粒子の実証: トポロジカル半金属候補物質において、空間分割ARPESと高輝度放射光を併用してバルク、表面、およびエッジ状態を分離観測し、新奇エキゾチックノーダル準粒子の実証を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 北京理工大学/清華大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 北京理工大学/清華大学
• [Int'l Joint Research] NSRRC(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: NSRRC
• [Int'l Joint Research] ケルン大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ケルン大学
• [Int'l Joint Research] ダイヤモンド放射光施設(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: ダイヤモンド放射光施設
• [Int'l Joint Research] パデュー大学/メリーランド大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: パデュー大学/メリーランド大学
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 2
• [Journal Article] Carrier Injection and Manipulation of Charge-Density Wave in Kagome Superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): K. Nakayama, Y. Li, T. Kato, M. Liu, Z. Wang, T. Takahashi, Y. Yao, and T Sato
  • Journal Title: Phys. Rev. X Volume: 12 Pages: 011001-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.12.011001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • Author(s): M. Kitamura, S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, T. Sato, and K. Horiba
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum. Volume: 93 Pages: 033906-1-8
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pb/Bi heterostructure as a versatile platform to realize topological superconductivity (2021)
  • Author(s): I. Watanabe, S. Souma, K. Nakayama, K. Sugawara, C. X. Trang, K. Segawa, K. Yamauchi, T. Oguchi, T. Takahashi, and T. Sato
  • Journal Title: Proc. Theor. Exp. Phys. Volume: 2022 Pages: 04A103-1-13
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab105
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Robust charge-density wave strengthened by electron correlations in monolayer 1T-TaSe2 and 1T-NbSe2 (2021)
  • Author(s): Yuki Nakata, Katsuaki Sugawara, Ashish Chainani, Changhua Bao, Shaohua Zhou, Pei-Yu Chuang, Cheng-Maw Cheng, Tappei Kawakami, Yasuaki Saruta, Shuyun Zhou, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 12 Pages: 5873-1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26105-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple energy scales and anisotropic energy gap in the charge-density-wave phase of kagome superconductor CsV3Sb5 (2021)
  • Author(s): K. Nakayama, Y. Li, T. Kato, M. Liu, Z. Wang, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 104 Pages: L161112-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.L161112
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dirac Semimetal Phase and Topological Phase Transition in XMg2Bi2 (X = Ba and Sr) (2021)
  • Author(s): Daichi Takane, Yuya Kubota, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kunihiko Yamauchi, Seigo Souma, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 11 Pages: 21937-1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01333-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] マイクロARPESによるトポロジカル半金属NdBiの反強磁性ドメイン電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 本間飛鳥、高根大地、相馬清吾、Y. Wang、中山耕輔、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、T. Kim、C. Cacho、安藤陽一、佐藤宇史
  • Organizer: 第35回 日本放射光学会年会・放射光科学 合同シンポジウム
• [Presentation] 原子層VS2の電子状態 : マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 川上竜平, 岡博文, 加藤剛臣, 猿田康朗, 中山耕輔, 菅原克明, 相馬清吾, 北村志歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5のCDW転移: μ-ARPES (2022)
  • Author(s): 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, 相馬清吾, Min Liu, Zhiwei Wang, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] マイクロARPESによるBi及びTeの電子状態イメージング (2022)
  • Author(s): 中山耕輔、徳山敦也、守谷歩美、本間飛鳥、川上竜平、 菅原克明、相馬清吾、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、 山内邦彦、小口多美夫、高橋 隆、瀬川耕司、佐藤宇史
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] マイクロARPESによるトポロジカル物質の局所電子状態 (2022)
  • Author(s): 相馬清吾、本間飛鳥、北村未歩、堀場弘司、川上竜平、渡辺夏芽、中山耕輔、菅原克明、高橋 隆、組頭広志、佐藤宇史
  • Organizer: 第35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 novel topological materials (2022)
  • Author(s): Takafumi Sato
  • Organizer: 2022 Taiwan AVS Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 反強磁性トポロジカル絶縁体における電子構造の磁気トドメイン分割観察 (2022)
  • Author(s): 相馬 清吾
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会「固体中のスピン・軌道ダイナミクスその制御 」
  • Invited
• [Presentation] ARPESによる原子層材料の電子状態イメージング評価 (2022)
  • Author(s): 菅原克明
  • Organizer: 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会第３６回プラズマ新領域研究会
  • Invited
• [Presentation] High-resolution ARPES studies of atomic-layer Nb-based TMDs (2022)
  • Author(s): Katsuaki Sugawara
  • Organizer: The 62nd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
  • Invited
• [Presentation] マイクロAPRESによる反強磁性トポロジカル物質のドメイン分割観測 (2022)
  • Author(s): 相馬 清吾
  • Organizer: 「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Spin-RNJ）」シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 原子層MoTe2の特異電子状態: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: 日本物理学会 第77 回年次大会
• [Presentation] Bi における双晶境界の観測:マイクロ ARPES (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: 日本物理学会 第77 回年次大会
• [Presentation] Te における一次元電子状態:マイクロ ARPES (2022)
  • Author(s): 中山耕輔, 徳山敦也, 守谷歩美, 山内邦彦, 本間飛鳥, 菅原克明, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋 隆, 小口多美夫, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会 第77 回年次大会
• [Presentation] カゴメ超伝導体KV3Sb5の高分解能ARPES (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: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 原子層TiTe2薄膜の高分解能ARPES (2022)
  • Author(s): 栁沢幸紀, 八重樫健, 川上竜平, 猿田康朗, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] マイクロARPESによる反強磁性体NdBiのドメイン依存ディラック表面状態 (2022)
  • Author(s): 本間飛鳥、高根大地、相馬清吾、Y. Wang、中山耕輔、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、T. Kim、C. CachoH、安藤陽一、佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Anisotropic energy gap induced by charge density wave in kagome superconductors AV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Takemi Kato, Yongkai Li, Tappei Kawakami, Min Liu, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Ayumi Moriya, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  • Organizer: APS March Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子層VS2のCDW相 : マイクロARPES (2022)
  • Author(s): 川上竜平, 岡博文, 加藤剛臣, 猿田康朗, 中山耕輔, 菅原克明, 相馬清吾, 北村志歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Fabrication and ARPES study of Cr2Se3 ultrathin film (2022)
  • Author(s): C. W. Chuang , T. Kawakami, Y. Saruta, T. Kato, K. Sugawara, K. Nakayama, S. Souma, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, A. Chainani, T. Takahashi, and T. Sato
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] H-SiC上のビスマセンの高分解能ARPES (2022)
  • Author(s): 八重樫健, 川上竜平, 加藤剛臣, 猿田康朗, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] トポロジカル物質の全結晶方位ARPES (2022)
  • Author(s): 中山耕輔
  • Organizer: 応用物理学会第69回春季講演会
  • Invited
• [Presentation] Novel topological materials studied by ARPES (2021)
  • Author(s): Takafumi Sato
  • Organizer: 1 day Joint Workshop of AIMR and Southern University of Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-resolution ARPES studies of atomic-layer NbSe2 and NbTe2 films (2021)
  • Author(s): Katsuaki Sugawara
  • Organizer: 1 day Joint Workshop of AIMR and Southern University of Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ARPES study of novel topological materials and hybrids (2021)
  • Author(s): Kosuke Nakayama
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] キャリアドーピングによるCsV3Sb5のCDW制御：高分解能ARPES (2021)
  • Author(s): 中山耕輔, Yongkai Li, 加藤剛臣, Min Liu, Zhiwei Wang, 高橋 隆, Yugui Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 反強磁性トポロジカル半金属NdBiのマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 本間飛鳥, 高根大地, 相馬清吾, Y. Wang, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, T. Kim, C. Cacho, 安藤陽一, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Bi(111)劈開表面のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 守谷歩美, 徳山敦也, 川上竜平, 中山耕輔, 相馬清吾, 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2021年秋季大会
• [Presentation] 新規カゴメ超伝導体CsV3Sb5のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, 相馬清吾, Min Liu, Zhiwei Wang, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, Y. Yao, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 3層系ルテニウム酸化物Sr4Ru3O10のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 渡辺夏芽, 相馬清吾, 中山耕輔, J. Ribeiro, Y. Wang, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, Z. Mao, Y. P. Chen, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Temperature-dependent magnetic properties of ferromagnetic topological insulators (CrxSb1-x)2Te3 studied by XMCD (2021)
  • Author(s): C. W. Chuang, Y. Nakata, F. H. Chang, H. J. Lin, C. T. Chen, S. Gupta, F. Matsukura, S. Souma, T. Sato, and A. Chainani
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 高分解能ARPESによるNbTe2原子層の特異電子状態 (2021)
  • Author(s): 菅原克明, 田口大樹, 岡博文 川上竜平, 猿田康朗，加藤剛臣, 中山耕輔, 相馬清吾, 高橋隆, 福村知昭, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Te(0001)のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 徳山敦也, 中山耕輔, 守谷歩美, 山内邦彦, 菅原克明, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 小口多美夫, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 原子層VS2の電子状態：マイクロARPES (2021)
  • Author(s): 川上竜平, 加藤剛臣, 猿田康朗, 中山耕輔, 菅原克明, 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2021年秋季大会
• [Presentation] 1T’/1H相が共存したMoTe2原子層薄膜のマイクロARPES (2021)
  • Author(s): 猿田康朗, 川上竜平, 加藤剛臣, 菅原克明, 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2021年秋季大会
• [Presentation] 水素終端SiC上のBi原子層膜の高分解能ARPES (2021)
  • Author(s): 八重樫健, 川上竜平, 加藤剛臣, 猿田康朗, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Electronic structure of multi-layer VTe2 thin film studied by ARPES (2021)
  • Author(s): T. Kawakami, K. Sugawara, T. Kato, T. Taguchi, S. Souma, T. Takahashi, T. Sato
  • Organizer: The 12th Recent Progress in Graphene and two-dimensional Materials Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-resolution ARPES studies of Nb based transition-metal dichalcogenides films (2021)
  • Author(s): Katsuaki Sugawara
  • Organizer: The 12th Recent Progress in Graphene and two-dimensional Materials Research Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic structure of multi-layer VTe2 thin films studied by ARPES (2021)
  • Author(s): T. Kawakami, K. Sugawara, T. Kato, T. Taguchi, S. Souma, T. Takahashi, T. Sato
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 4th Symposium on international Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional band structure of kagome superconductor AV3Sb5 (A= K, Cs) studied by micro-ARPES (2021)
  • Author(s): Takemi Kato, Yongkai Li, Tappei Kawakami, Min Liu, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Ayumi Moriya, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 4th Symposium on international Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ARPES Study of a Kagome Superconductor AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs) (2021)
  • Author(s): Takafumi Sato
  • Organizer: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 4th Symposium on international Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ARPESで見るトポロジカル 超伝導体候補物質の電子状態 (チュートリアル講演) (2021)
  • Author(s): 佐藤宇史
  • Organizer: NIMS ワークショップ 「超伝導物質, トポロジカル物質 」
  • Invited
• [Presentation] Charge-density-wave-induced band modulation in new kagome superconductors AV3Sb5 studied by ARPES (2021)
  • Author(s): Takemi Kato, Yongkai Li, Tappei Kawakami, Min Liu, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Ayumi Moriya, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  • Organizer: The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
  • Int'l Joint Research