2023 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 |
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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, 材料科学高等研究所, 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、昨年度に引き続き、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。2光子ARPESシステムでは、光路系の調整を行うことで、空間分割ARPES測定に加えて高精度でスピン偏極バンド構造の決定ができるようになった。MBE装置の最適化調整を完了し、種々の原子層物質における高精度ARPES測定を行った。
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法とトポタクティック法を用いてグラフェン上にVS2原子層薄膜を作製することに成功し、全ブリルアンゾーン領域におけるエネルギーギャップと特殊な周期を持つ電荷密度波を観測し、これらが「高次フェルミ面ネスティング」と呼ばれる新奇な機構で発現することを見出した。カゴメ超伝導体RV3Sb5(R=K, Rb, Cs)の電子構造をARPESによって決定した結果、表面の終端によって劇的に異なる電子状態が、アルカリ金属の種類によらず普遍的であることを見出した。原子層TiTe2を作製して表面への元素吸着や欠損制御によってキャリア制御に成功した結果、同族のTiSe2とは大きく異なり、電荷密度波がフェルミ面のネスティングに起因することを明らかにした。MoTe2原子層では、バルクでは不安定な1T構造を持つ原子層が通常とは異なり30度回転して成長していることを明らかにした。電子状態の可視化と第一原理計算により、MoTe2中の伝導電子がモアレポテンシャルによって劇的な変調を受けたことによるエネルギー利得が、元来不安定な1T構造を安定化する直接原因となっていることを見出した。また、NdBiにおける反強磁性ドメインに依存して質量が変化するディラック電子バンドを観測することで、反強磁性トポロジカル絶縁体の実証に成功した。
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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、高品質の原子層薄膜作製と空間分解・スピン分解ARPES実験を高度に連携した実験ができるようになった。NdBiにおける反強磁性ドメインに依存したディラック電子バンドの観測は、磁化をもたない反強磁性状態においても、スピンの配列方向に依存してディラック電子が有限の質量をもつことを初めて示したものであり、今後、反強磁性トポロジカル絶縁体におけるディラック準粒子を利用した新たな物性創発やデバイス化への道を拓くと期待される。また、カゴメ超伝導体で明らかになった表面終端に依存した電子構造の劇的な違いは、特異な表面物性を理解する上での重要な知見を与えるものである。さらに原子層MoTe2の成果は、「原子層どうしをどのようにひねってモアレ模様を作っても原子層それ自体が持つ結晶構造は変化しない」というこれまでの常識を覆し、「モアレ模様によって新しい結晶を創製する」という従来とは全く異なる研究の方向性を示すものである。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: 昨年度に引き続き空間分割ARPES実験装置の整備を行い、高い空間分解能とスピン検出効率を保ったままで安定した測定ができるようにする。
(2) 原子層薄膜作製MBE装置の開発: 原子層薄膜MBE-ARPES複合装置の整備を完了し、エキゾチック準粒子を内包する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プラットフォームとして最近注目されているカゴメ超伝導体と、カゴメ超伝導体をベースとするヘテロ構造の電子構造を高精度で決定し、新規物性発現の可能性と準粒子との関連を明らかにする。
(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 、反強磁性ドメインを分離した表面およびバルクの電子状態の解明を行い、トポロジカル性と複合対称性との関係を明らかにする。
(5) 結晶対称性に基づいた多重ノーダル準粒子の実証: 新奇ノーダル準粒子が内包されると期待されるトポロジカル半金属候補物質において、空間分割ARPESによってバルク、表面、およびエッジ状態を分離観測し、新型準粒子のバンド構造の決定を目指す。さらに、力学的歪みを利用して1軸圧力を試料に印加し、モット絶縁体や、対称性に保護されたディラック電子系において、圧力印加による準粒子の質量変化を検出する。
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[Journal Article] Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES2023
Author(s)
A. Moriya, K. Nakayama, T. Kawakami, K. Maeda, A. Tokuyama, S. Souma, C. Chen, J. Avila, M. Ca. Asensio, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, K. Fujiwara, K. Segawa, and T. Sato
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Journal Title
Phys. Rev. Research
Volume: 5
Pages: 023152_1-7
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Surface-termination-dependent electronic states in kagome superconductors AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) studied by micro-ARPES2023
Author(s)
Takemi Kato, Yongkai Li, Min Liu, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 107
Pages: 245143_1-15
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pure nematic state in the iron-based superconductor FeSe2023
Author(s)
Y. Kubota, F. Nabeshima, K. Nakayama, H. Ohsumi, Y. Tanaka, K. Tamasaku, T. Suzuki, K. Okazaki, T. Sato, A. Maeda, and M. Yabashi
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 108
Pages: L100501_1-7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Unusual surface states associated with the PT-Symmetry breaking and antiferromagnetic band folding in NdSb2023
Author(s)
Asuka Honma, Daichi Takane, Seigo Souma, Yongjian Wang, Kosuke Nakayama, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, TakashiTakahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 108
Pages: 115118_1-10
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Switching of charge-density wave by carrier tuning in monolayer TiTe22023
Author(s)
Koki Yanagizawa, Katsuaki Sugawara, Tappei Kawakami, Ryuichi Ando, Ken Yaegashi, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
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Journal Title
Phys. Rev. Mater.
Volume: 7
Pages: 104002_1-7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Antiferromagnetic topological insulator with selectively gapped Dirac cones2023
Author(s)
A. Honma, D. Takane, S. Souma, K. Yamauchi, Y. Wang, K. Nakayama, K. Sugawara, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. K. Kim, C. Cacho, T. Oguchi, T. Takahashi, Yoichi Ando & T. Sato
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 14
Pages: 7396_1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] マイクロARPESによる粉状半導体r-BSの電子状態2024
Author(s)
菅原克明, 日下陽貴, 川上竜平, 柳沢幸紀, 本間飛鳥, 相馬清吾, 中山耕輔, 宮川仁, 谷口尚, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 折茂慎一, 豊田雅之, 斎藤晋, 近藤剛弘, 佐藤宇史
Organizer
第37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] Laves 相超伝導体の高分解能 ARPES2024
Author(s)
森田雄晴, 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 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
第37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] Novel Antiferromagnetic Topological Insulator NdBi Studied by Micro-ARPES2024
Author(s)
A. Honma, D. Takane, S. Souma, K. Yamauchi, Y. Wang, K. Nakayama, K. Sugawara, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. K. Kim, C. Cacho, T. Oguchi, T. Takahashi, Yoichi Ando, and T. Sato
Organizer
APS March Meeting 2024
Int'l Joint Research
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[Presentation] Systematic evolution of electronic structure in monolayer TiXc2 (Xc = S, Se, and Te)2024
Author(s)
Koki Yanagizawa, Tappei Kawakami, Kosuke Nakayama, Katsuaki Sugawara, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
Organizer
APS March Meeting 2024
Int'l Joint Research
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[Presentation] マイクロ ARPES による Te(0001)の電子状態イメージング2024
Author(s)
中山耕輔, 徳山敦也, 山内邦彦, 守谷歩美, 加藤剛臣, 菅原克明, 相馬清吾, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋 隆, 瀬川耕司, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会2024春季大会
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[Presentation] マイクロARPESで観測したCr置換カゴメ超伝導体Cs(V1-xCrx)3Sb5の電子状態2024
Author(s)
鈴木崇人, 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 小澤健一, 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2024春季大会
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[Presentation] 高分解能 ARPES による Laves 相化合物 CsBi2 の電子構造の観測2024
Author(s)
森田雄晴, 加藤剛臣, 中山耕輔, Yongkai Li, Zhiwei Wang, 相馬清吾, 田中清尚, 小澤健一 , 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2024春季大会
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[Presentation] マイクロARPESによる粉状半導体r-BSの電子状態2024
Author(s)
菅原克明, 日下陽貴, 川上竜平, 柳沢幸紀, 本間飛鳥, 相馬清吾, 中山耕輔, 宮川仁, 谷口尚, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 折茂慎一, 豊田雅之, 斎藤晋, 近藤剛弘, 佐藤宇史
Organizer
第71回 応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] Charge-density wave in monolayer VS2 thin film : μ-ARPES2023
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, and T. Sato
Organizer
4th PSI Condensed Matter Summer Camp 2023
Int'l Joint Research
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[Presentation] 反強磁性体NdSbのドメインに依存した表面状態: マイクロARPES2023
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, 高橋 隆, 安藤陽一, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] μ-ARPESによる単層TiCh2 (Ch=S, Se, Te)薄膜の微細電子状態2023
Author(s)
栁沢幸紀, 川上竜平, 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
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] Quantum Well States in Alkali-Metal Thin Films Grown on Kagome Metals2023
Author(s)
Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Katsuaki Sugawara, Kiyohisa Tanaka, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Modulation of Dirac cones in Antiferromagnetic Topological Insulator NdBi Studied by Micro-ARPES2023
Author(s)
Asuka Honma, Daichi Takane, Seigo Souma, Kunihiko Yamauchi, Yongjian Wang, Kosuke Nakayama, Katsuaki Sugawara, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kiyohisa Tanaka, Timur K. Kim, Cephise Cacho, Tamio Oguchi, Takashi Takahasi, Yoichi Ando and Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electron-doped kagome superconductor Cs(V1-xCrx)3Sb5: micro-ARPES study2023
Author(s)
Shuto Suzuki, Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic structure of monolayer 1T-TiS2 film studied by high-resolution ARPES2023
Author(s)
Koki Yanagizawa, Tappei Kawakami, Kosuke Nakayama, Katsuaki Sugawara, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic structure study of Laves phase superconductor CsBi2 using high-resolution ARPES2023
Author(s)
Yusei Morita, Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Giant Band Splitting in Altermagnet MnTe observed by Micro-ARPES2023
Author(s)
Takumi Osumi, Seigo Souma, Takuya Aoyama, Kunihiko Yamauchi, Asuka Honma, Kosuke Nakayama, Kenya Ohgushi, and Takafumi Sato
Organizer
The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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