2021 Fiscal Year Annual Research Report
Search for exotic quasiparticles by angle-resolved photoemission spectroscopy
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21H04435
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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)
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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)
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Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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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。
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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
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。
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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。
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[Journal Article] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics2022
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
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Journal Title
Rev. Sci. Instrum.
Volume: 93
Pages: 033906-1-8
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Robust charge-density wave strengthened by electron correlations in monolayer 1T-TaSe2 and 1T-NbSe22021
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
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 12
Pages: 5873-1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[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
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Journal Title
Sci. Rep.
Volume: 11
Pages: 21937-1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] 原子層VS2の電子状態 : マイクロARPES2022
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
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[Presentation] カゴメ超伝導体CsV3Sb5のCDW転移: μ-ARPES2022
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
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[Presentation] 原子層MoTe2の特異電子状態:マイクロARPES2022
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
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[Presentation] Bi における双晶境界の観測:マイクロ ARPES2022
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
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[Presentation] Te における一次元電子状態:マイクロ ARPES2022
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
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[Presentation] カゴメ超伝導体KV3Sb5の高分解能ARPES2022
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
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[Presentation] Anisotropic energy gap induced by charge density wave in kagome superconductors AV3Sb52022
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
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[Presentation] 原子層VS2のCDW相 : マイクロARPES2022
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
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[Presentation] Fabrication and ARPES study of Cr2Se3 ultrathin film2022
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
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[Presentation] 反強磁性トポロジカル半金属NdBiのマイクロARPES2021
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
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[Presentation] Bi(111)劈開表面のマイクロARPES2021
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
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[Presentation] 新規カゴメ超伝導体CsV3Sb5のマイクロARPES2021
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
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[Presentation] 3層系ルテニウム酸化物Sr4Ru3O10のマイクロARPES2021
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
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[Presentation] Te(0001)のマイクロARPES2021
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
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[Presentation] Three-dimensional band structure of kagome superconductor AV3Sb5 (A= K, Cs) studied by micro-ARPES2021
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
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[Presentation] Charge-density-wave-induced band modulation in new kagome superconductors AV3Sb5 studied by ARPES2021
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