顕微角度分解光電子分光で解明する極限トポロジカルエッジ状態

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H04439
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597) ; 平山 元昭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (70761005)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Keywords: レーザー光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

極限低温クライオスタットを搭載した高分解能レーザー角度分解光電子分光装置の整備を行なった。超伝導転移温度が3.7Kと低温いSnの超伝導ピークの測定を精度良く行えることを確認し、試料部の温度及びエネルギー分解能においてそれぞれ目標値を達成していることを確認した。また、トポロジカルノーダルラインをバンド構造に持つ物質の超伝導ピークの観察に成功しており、フェルミ準位近傍のフラットバンドと高い超伝導転移温度との関係を元素置換を行いながら探る研究を行なった。また、1次元鎖の積層構造からなる新しいエキシトニック絶縁体の実証にも成功した。理論的には、その試料側面にトポロジカルスピン流が流れているという予想があり、関連する実空間電子状態が実際に観察されているため、今後、励起子凝縮とトポロジカル物性とが共存し発現する新規物性の開拓が期待できる。さらに、磁性トポロジカル物質の研究にも着手した。特に本年度は、Gd系の磁気スキルミオン物質の電子構造の解明を行なった。磁性体の電子状態は異なる磁区を空間的に選別しつつ測定しなければ本質的な理解は得られない。また、劈開表面では複数の終端面が露出する可能性があり、それらにおいても選別測定しながら、表面状態とバルク状態を区別し理解する必要がある。それらの難しい条件に耐えうる実験を行うことで、フェルミ面のネスティングにより局在磁気モーメントと遍歴電子がカップルし磁性が発現する機構を解明することができた。特に、磁区ごとに波数空間の異なる位置に擬ギャップが開くこと、またその結果、閉じたフェルミ面とはならず、異常とも言えるフェルミアークが形成されることを突き止めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

極低温かつ超高エネルギー分解能で電子構造を観察可能な装置環境が整ったことで、今後の研究が大きく発展することが期待できる。特に、スピン偏極状態と共に発現が期待されるトポロジカル超伝導状態の超伝導ギャップに対しては超精密な測定が要求されるため、それに見合う装置環境が整備されたことは非常に意義深い。また、新規物性開拓も精力的に行い期待通りの成果が出ている。トポロジカルノーダルライン電子構造における超伝導状態の観察、トポロジカルエキシトニック絶縁体候補物質の直接バンド観察、磁気スキルミオン物質の磁性発現機構の解明など、いずれにおいてもARPESの精密測定によって成し遂げられた成果である。以上の進歩状況から、本研究は概ね順調に進展していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

極低温・超高分解能レーザーARPESを用いて、様々な形態のトポロジカルエッジ状態を測定する。高次トポロジカル候補物質に於けるヒンジ電子構造の解明や、極低温で可能となるトポロジカル超伝導体のエッジ状態観測を行う。これらのトポロジカル相で発生するスピン流のパスは、結晶表面の構造的差異で変化し、理論的にも不確定性があるため、その解明には顕微分光による選別観察が求められる。また、ファンデルワールス結晶の剥離試料や、トポロジカル薄膜を組み込んだ材料で発現が期待される新規のトポロジカル相を開拓する。さらに、薄膜のラシュバ状態における超伝導状態やカイラル超伝導など、極低温測定でしかなし得ない研究にも挑戦する。

Research Products

• [Journal Article] Broken Screw Rotational Symmetry in the Near-Surface Electronic Structure of AB-Stacked Crystals. (2024)
  • Author(s): H. Tanaka, S. Okazaki, M. Kobayashi, Y. Fukushima, Y. Arai, T. Iimori, M. Lippmaa, K. Yamagami, Y. Kotani, F. Komori, K. Kuroda, T. Sasagawa, and T. Kondo.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Pages: 136402 (1-6)
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.136402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneous Gap Opening and Potential Excitonic States in an Ideal Dirac Semimetal Ta2Pd3Te5. (2024)
  • Author(s): P. Zhang, Y. Dong, D. Yan, B. Jiang, T. Yang, J. Li, Z. Guo, Y. Huang, Haobo, Q. Li, Y. Li, K. Kurokawa, R. Wang, Y. Nie, M. Hashimoto, D. Lu, W.-H. Jiao, J. Shen, T. Qian, Z. Wang, Y. Shi, and T. Kondo.
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 14 Pages: 011047 (1-9)
  • DOI: 10.1103/physrevx.14.011047
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy with a 1-MHz 10.7-eV pulse laser. (2023)
  • Author(s): K. Kawaguchi, K. Kuroda, Z. Zhao, S. Tani, A. Harasawa, Y. Fukushima, H. Tanaka, R. Noguchi, T. Iimori, K. Yaji, M. Fujisawa, S. Shin, F. Komori, Y. Kobayashi, and T. Kondo.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Pages: 083902 (1-11)
  • DOI: 10.1063/5.0151859
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unveiling phase diagram of the lightly doped high-Tc cuprate superconductors with disorder removed. (2023)
  • Author(s): K. Kurokawa, S. Isono, Y. Kohama, S. Kunisada, S. Sakai, R. Sekine, M. Okubo, M. D. Watson, T. K. Kim, C. Cacho, S. Shin, T. Tohyama, K. Tokiwa and T. Kondo.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 4064 (1-9)
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39457-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Semiconducting Electronic Structure of the Ferromagnetic Spinel HgCr2Se4 Revealed by Soft-X-Ray Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • Author(s): H. Tanaka, A. V. Telegin, Y. P. Sukhorukov, V. A. Golyashov, O. E. Tereshchenko, A. N. Lavrov, T. Matsuda, R. Matsunaga, R. Akashi, M. Lippmaa, Y. Arai, S. Ideta, K. Tanaka, T. Kondo, and K. Kuroda.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Pages: 186402 (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.186402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nodeless electron pairing in CsV3Sb5-derived kagome superconductors. (2023)
  • Author(s): Y. Zhong, J. Liu, X. Wu, Z. Guguchia, J.-X. Yin, A. Mine, Y. Li, S. Najafzadeh, D. Das, C. Mielke III, R. Khasanov, H. Luetkens, T. Suzuki, K. Liu, X. Han, T. Kondo, J. Hu, S. Shin, Z. Wang, X. Shi, Y. Yao and K. Okazaki.
  • Journal Title: Nature Volume: 617 Pages: 488-492
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05907-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Testing electron-phonon coupling for the superconductivity in kagome metal CsV3Sb5. (2023)
  • Author(s): Y. Zhong, S. Li, H. Liu, Y. Dong, K. Aido, Y. Arai, H. Li, W. Zhang, Y. Shi, Z. Wang, S. Shin, H. N. Lee, H. Miao, T. Kondo, and K. Okazaki.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 1945 (1-7)
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37605-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規励起子絶縁体候補物質GdGaIへのK蒸着で次元性が変化する電子構造の角度分解光電子分光観察 (2024)
  • Author(s): 合戸洸平, 大熊隆太郎, 藤澤唯太, 友田七海, 岩田拓万, 有田将司, Yuyang Dong, 川口海周, 森亮, 黒田健太, 岡田佳憲, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Magnetic-domain-dependent pseudogap induced by Fermi surface nesting in GdRu2Si2 (2024)
  • Author(s): Yuyang Dong, Yuto Kinohsita, Masayuki Ochi, Ryu Nakachi, Ryuji Higashinaka, Satoru Hayami, Yuxuan Wan, Yosuke Arai, Soonsang Huh, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Masashi Tokunaga, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, Takeshi Kondo
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] The doping-dependent evolution of superconductivity in the multilayered cuprate (2024)
  • Author(s): J. Jeong, K. Kurokawa, Y. Kohama, S. Sakai, Y. Enomoto, T. Nakayama, S. Shin, T. Tohyama, K. Tokiwa and T. Kondo
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Electronic structure of Van der Waals ferromagnet Fe5-xGeTe2 revealed by ARPES (2024)
  • Author(s): S. Huh, K. Kawaguchi, K. Kuroda, M. Haze, Y. Hasegawa, B. R. M. Smith, Y. Yamagami, C. H. Hsu, H. J. Shin, Y. J. Choi, H. Makoto, D. Lu, Y. Dong, K. Aido, A. Harasawa, Y. Okada, T. Kondo
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] ARPESによる歪みデバイスを用いたトポロジカル相制御の研究 (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TiS2における角度分解光電子分光スペクトルの励起光エネルギー・偏光依存性 (2023)
  • Author(s): 田中宏明, 岡崎尚太, 福島優斗, 川口海周, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 有田将司, 森亮, 黒田健太, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体 Bi2Te3 薄膜のスピン偏極電子状態における基板効果 (2023)
  • Author(s): 川口海周, 森亮, 福島優斗, 八田振一郎A, 田中宏明, 原沢あゆみ, 有賀哲也, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光による新規励起子絶縁体候補物質GdGaIのK蒸着で変化させた電子構造の直接観察 (2023)
  • Author(s): 合戸洸平, 大熊隆太郎, 藤澤唯太, 友田七海, Yuyan Dong, 川口海舟, 森亮, 岡田佳憲, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
• [Presentation] The relationship between pseudogap and antiferromagnetic order in high-Tc cuprate superconductors studied by ARPES (2023)
  • Author(s): Junhyeok Jeong, Kifu Kurokawa, Shunsuke Isono, Yoshimitsu Kohama, Shiro Sakai, Makoto Okubo, Yamato Enomoto, Nakayama Tomotaka, Matthew D. Watson, Timur K. Kim, Cephise Cacho, Shik Shin, Takami Tohyama, Kazuyasu Tokiwa, Takeshi Kondo
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
• [Presentation] Design and control of topological phases in quasi-1D stacked materials investigated by ARPES. (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: 8th International Conference on Superconductivity and Magnetism
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Design and Control of Topological Phases in Quasi-1 D Stacked Materials Investigated by ARPES. (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: Gordon Research Conference: Topological and Correlated Matter
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Extremely clean doped Mott states in high-Tc cuprates forming small Fermi pockets investigated by ARPES. (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: Superstripes 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fascinating electronic structures of exotic magnets revealed by ARPES. (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: 15th International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic-domain-dependent pseudogap induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet. (2023)
  • Author(s): 近藤猛
  • Organizer: 3rd ARPES Workshop “ARPES meets crystal growth and characterization”
  • Int'l Joint Research / Invited