Band-filling control of topological semimetals having a 2D square lattice structure

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03472
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 近藤 隆祐 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (60302824)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: トポロジカル半金属 / ディラック電子 / バンドフィリング制御 / 電荷密度波 / 正四角格子 / 伝導特性

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，ZrSiS構造をもつトポロジカル半金属物質群を対象として，バンド交差点に対してフェルミ準位を制御した試料を作製し測定することにより，当該物質のディラック電子の伝導特性を明らかにすることである．初年度は，主にLaTeSb系及びこれにスピン軌道相互作用が電子構造にもたらす影響を明らかにする目的でLaTeBi系の試料作成を行った．周期律表においてTeとSbは隣り合った元素であり，Bi元素は周期律表においてSbの真下に位置する元素である．このため，試料中におけるTeとこれらの元素の組成比を変化させることで，バンドフィリング制御を行うことが出来る．
LaTe_1+xSb_1-xは-1≦x≦1の全域で結晶作成に成功した．既報の通りTeが多いx≧0では電荷密度波相が確認されたが，その波数は組成変化に伴い連続的に変化させることが出来た．また、Sbが多いx＜0での結晶作成に初めて成功し、この領域の結晶構造がTeが多い組成とは異なり、正四角格子に歪が生じた2層構造になることを見出した．
LaTe_1+xBi_1-xは、0.05＜x＜0.1と-0.4<x<-0.05の組成域の試料において，220K付近で抵抗異常が見出された．この温度以下で超格子の発現も観測されたため，これらの組成の基底状態は電荷密度波相であると考えられる．
得られた試料の精密結晶構造を基にした第一原理計算からは、LaTeSb系、LaTeBi系共にトポロジカル半金属の特徴であるエネルギーバンド分散のコンタクトポイント同士を結ぶフェルミアーク状の表面状態の存在が示唆された．作成した両物質系とも，電気抵抗の温度依存性が小さい半金属的な振る舞いを示す組成域があること，これから組成を変化させると，連続的に振舞が変化することから，バンドフィリング制御された試料の作成が出来ていると考えられる．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

試料作製に関しては概ね順調に進展しているが，寒剤（液体ヘリウム）供給不足により，作製した試料中のディラック電子の伝導特性を明らかにする実験のみならず，ホール効果等の基本的な電気磁気測定すら行えていないことが問題である．

Strategy for Future Research Activity

寒剤（ヘリウム）供給不足は，すぐには解決しないため，手持ちの冷凍機の改造と電磁石で研究を進める．
試料作製については，引き続きLnTeSb系，LnTeBi系において，ランタノイド（Ln）元素を非磁性元素Laから代え，下記２点を目的とする開発を進める．
１．LaTeSb系のSbが多い領域で見出された正四角格子に歪が生じた2層構造の発現範囲を確定し，その発現条件を明らかにする．この上で，この二層構造とZrSiS系構造（正方四角格子に歪みを持たない一層構造）との伝導特性の違いを明らかにする上で適当な系を確立する．
２．磁性を持つランタノイド元素を用いて試料作製を行い，ディラック電子と磁性の相互作用が起因と考えられる現象の探索を行う．特に，その化合物が磁性と伝導が相互作用する現象が多く観測されているCe元素を含む物質系の開発に注力する．

Causes of Carryover

当該年度に寒剤代として見込んでいた分が，次年度使用額となっている．寒剤（ヘリウム）供給不足は，すぐには解決しないため，手持ちの冷凍機の改造と電磁石で研究を進める予定であり，これらの不足部品の製作や購入に充てる．