インフォマティックスの先をゆき応用も志向したトポロジカル電子材料の開拓

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H04652
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黒田 健太 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001) ; 矢野 力三 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80830356)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Keywords: トポロジカル電子物質 / 第一原理計算 / 単結晶 / 角度分解光電子分光 / 磁気輸送特性

Outline of Annual Research Achievements

理論から新概念の提案が続いているトポロジカル電子物質を対象として、マテリアルズ・インフォマティクス（ＭＩ）を活用しつつ、そのスキームだけでは探索・開拓することが難しい物質群の開発に挑戦している。
① ＭＩから発掘するスジの良い化合物（「経験」と「勘」に基づく実績を活かし新概念へ発展）
② 現状のＭＩでは見逃してしまう化合物（複数フェルミ面系、構造敏感な電子相、低次元系など）
③ 今後のＭＩでも扱うことが難しい化合物（構造非対称系、磁性系、強相関系、超伝導系など）
などを独自の物質・現象・物性・機能の開拓を行う戦略として設定し、「第一原理計算」「純良単結晶育成」「先端分光計」「極限環境物性評価」を武器として実証実験を推進した。
学会発表や論文発表にまで至った本年度に扱った物質は、絶縁体(In2Se3, Fe-BiSbTe2Se, AgCrSe2, CuInP2S6, WSe2, h-BN, NiS2)から半金属(ReSe2, WTe2, MoS2, ZrSiS, HfSiS)、超伝導体(MoTe2, PdBi2, CaSb2, NbTe2, Bi2Sr2CaCu2O8)まで、多岐にわたった。新しい展開として特筆すべきは、高品質な単結晶として開発の進んだ種々の van der Waals 層状物質について、バルクとは異なる数層や自然には存在しない積層様式の構造体についての低次元電子状態を創製し、その電子構造も解明することに成功したことが挙げられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

絶縁体(In2Se3, Fe-BiSbTe2Se, AgCrSe2, CuInP2S6, WSe2, h-BN, NiS2)から半金属(ReSe2, WTe2, MoS2, ZrSiS, HfSiS)、超伝導体(MoTe2, PdBi2, CaSb2, NbTe2, Bi2Sr2CaCu2O8)までの多岐にわたる物質を、高品質な単結晶試料として開発し、それぞれについて学会発表や論文発表を行うことができた。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、マテリアルズ・インフォマティクスを活用しつつ、そのスキームだけでは探索・開拓することが難しい新しい種類のトポロジカル電子物質を、独自の研究戦略をもとに開発してゆく。
研究計画遂行への方法論の有効性を初年度に実証することできたので、この勢いを維持してゆく。
第一原理計算を用いた物質選定、純良単結晶試料を準備しての物質開拓や物性評価、角度分解光電子分光法による電子構造の直接観察、マイクロフレーク単結晶を用いたデバイス作製による性能評価や機能実証といった、各チームのもつ研究の武器を最大限に活用し、相補的な役割分担のもとで研究計画を推進してゆく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Minnesota/Florida State University/Argonne National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Minnesota/Florida State University/Argonne National Laboratory
  • # of Other Institutions: 2
• [Int'l Joint Research] University of British Columbia(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of British Columbia
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute
• [Journal Article] Dry Pick-and-flip Assembly of van der Waals Heterostructures for Microfocus Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): S. Masubuchi, M. Sakano, Y. Tanaka, Y. Wakafuji, T. Yamamoto, S. Okazaki, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Li, H. Ejima, T. Sasagawa, K. Ishizaka, and T. Machida
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 10936
  • DOI: 10.1038/ s41598- 022-14845-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Odd-even Layer-number Effect of Valence-band Spin Splitting in WTe2 (2022)
  • Author(s): M. Sakano, Y. Tanaka, S. Masubuchi, S. Okazaki, T. Nomoto, A. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Arita, T. Sasagawa, T. Machida, and K. Ishizaka
  • Journal Title: Phys. Rev. Research Volume: 4 Pages: 23247/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023247
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unconventional Short-range Structural Fluctuations in Cuprate Superconductors (2022)
  • Author(s): D. Pelc, R.J. Spieker, Z.W. Anderson, M.J. Krogstad, N. Biniskos, N.G. Bielinski, B. Yu, T. Sasagawa, L. Chauviere, P. Dosanjh, R. Liang, D.A. Bonn, A. Damascelli, S. Chi, Y. Liu, R. Osborn, M. Greven
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 20483
  • DOI: 10.1038/ s41598- 022-22150-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] トポロジカル超伝導候補 CaSb2単結晶における超伝導特性への元素置換効果 (2023)
  • Author(s): 深井悠太郎、笹川崇男
  • Organizer: 第61回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] (Zr,Hf)SiS 単結晶の超巨大磁気抵抗と量子振動 (2023)
  • Author(s): 澤田峻輝、笹川崇男
  • Organizer: 第61回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 単斜晶系NbTe2の超伝導・トポロジカル特性評価 (2023)
  • Author(s): 福岡諒,笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] AB積層結晶の表面近傍電子状態におけるらせん対称性の破れ (2023)
  • Author(s): 田中宏明,岡崎尚太、小林賢、福島優斗、新井陽介、飯盛拓嗣、Mikk Lippma、山神光平、小谷佳範、小森文夫、黒田健太、笹川崇男、近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] ツイスト2層WSe2におけるバンド構造のツイスト角依存性の直接観測 (2023)
  • Author(s): 山本崇人、坂野昌人、赤塚俊輔、岡崎尚太、笹川崇男、渡邊賢司、谷口尚、北村未歩、堀場弘司、菅原克明、相馬清吾、佐藤宇史、組頭広志、篠北啓介、松田一成、増渕覚、町田友樹、石坂香子、三石夏樹
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] モット絶縁体NiS2のステップ近傍における絶縁ギャップ観察 (2023)
  • Author(s): 安井勇気、岩田孝太、岡崎尚太、宮坂茂樹、杉本宜昭、花栗哲郎、高木英典、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 共鳴トンネル効果を用いたツイスト2層WSe2の価電子帯Γ点バンドの検出 (2023)
  • Author(s): 木下圭、守谷頼、岡崎尚太、張奕勁、増渕覚、渡邊賢司、谷口尚、笹川崇男、町田友樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] カイラル半導体gamma-In2Se3の単結晶育成と光電特性評価 (2022)
  • Author(s): 村田陵河、谷口黎、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 180度ツイスト2層ReSe2における空間反転対称性の破れと電子状態 (2022)
  • Author(s): 赤塚俊輔、坂野昌人、山本崇人、野本拓也、有田亮太郎、村田陵河、笹川崇男、渡邊賢司、谷口尚、北村未歩、堀場弘司、菅原克明、相馬清吾、佐藤宇史、組頭広志、篠北啓介、松田一成、増渕覚、町田友樹、石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 超伝導MoTe2における巨大な非相反電気伝導現象 (2022)
  • Author(s): 若村太郎,橋坂昌幸,岡崎尚太、笹川崇男、谷口尚、渡邊賢司、村木康二,熊田倫雄
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 電界効果トランジスタ用いたキャリア注入による磁性トポロジカル絶縁体Fe-BiSbTe2Seの表面状態の探索 (2022)
  • Author(s): 反田剛、矢野力三、廣瀬陽代、笹川崇男、柏谷聡
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 超高速時間分解電子回折とシミュレーションによる超イオン導電体AgCrSe2の散漫散乱の研究 (2022)
  • Author(s): 千足勇介、中村飛鳥、下志万貴博、古賀淳平、矢野力三、笹川崇男、石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 極低温高分解能レーザーARPESによるトポロジカル超伝導体PdBi2における超伝導ギャップの直接観測 (2022)
  • Author(s): 峯明史,Yigui Zhon、Sahand Najafzadeh,大川顕次郎、坂野昌人、石坂香子、辛埴、笹川崇男、岡﨑浩三
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] NbTe2単結晶の構造相転移と超伝導 (2022)
  • Author(s): 福岡諒、笹川崇男
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 二次元強誘電体CuInP2S6における面直バルク光起電力効果 (2022)
  • Author(s): 張奕勁、谷口黎、増渕覚、守谷頼、渡邊賢司、谷口尚、笹川崇男、町田友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] トポロジカルジョセフソン接合形成に向けた単層WTe2/超伝導デバイスのゲート効果 (2022)
  • Author(s): 細田雅之、ディーコンラッセル、ランドルマイケル、岡崎尚太、笹川崇男、谷口尚、渡邊賢司、大伴真名歩、河口研一、佐藤信太郎、石橋幸治
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 4層WSe2のサブバンド間共鳴トンネルにおけるツイスト角度依存性 (2022)
  • Author(s): 木下圭、守谷頼、岡崎尚太、張奕勁、増渕覚、渡邊賢司、谷口尚、笹川崇男、町田友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] バルクp+-MoS2/h-BN/バルクp+-MoS2トンネル接合における負性微分抵抗の観測 (2022)
  • Author(s): 川崎盛矢、木下圭、守谷頼、張奕勁、増渕覚、渡邊賢司、谷口尚、笹川崇男、町田友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] マイクロ集光軟X線角度分解光電子分光によるワイドギャップ半導体h-BN薄片のバルク電子状態観測 (2022)
  • Author(s): 田中宏明、小林賢、福島優斗、新井陽介、飯盛拓嗣、山神光平、小谷佳範、小森文夫、黒田健太、近藤猛、笹川崇男
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ツイスト二層WTe2の対称性制御とレーザー角度分解光電子分光・SHG観測 (2022)
  • Author(s): 神谷啓介、張奕勁、山本崇人、坂野昌人、篠北啓介、岡崎尚太、増渕覚、渡邊賢司、谷口尚、笹川崇男、松田一成、石坂香子、町田友樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] 東京工業大学 笹川研究室
  • URL: https://www.msl.titech.ac.jp/~sasagawa/index.html