2022 Fiscal Year Research-status Report
強磁場テラヘルツ分光によるビスマス関連物質の電子状態に関する研究
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21K04889
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
竹端 寛治 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (50354361)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徳永 将史 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50300885)
今中 康貴 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 副部門長 (70354371)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 強磁場テラヘルツ分光 / ビスマス関連物質 / ランダウ準位間共鳴光学遷移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ビスマスおよびBi1-xSbxのトポロジカル絶縁体相(0.07 < x < 0.22)を含む幅広い組成範囲の単結晶試料に関して新たに開発する“反射型”強磁場テラヘルツ分光装置を用いランダウ準位間共鳴光学遷移の測定を行い、バルク状態の電子状態だけでなくトポロジカル表面状態の特徴的な電子状態に関する知見を得ることを目的としている。
R4年度には研究実施計画に従い、前年度から引き続き（２）開発された測定装置を用い単結晶ビスマスの“反射型”強磁場テラヘルツ分光によるランダウ準位間光学遷移の測定に取り組み、測定試料の3結晶軸方向に磁場を印可し測定を行った。その結果、それぞれの結晶軸方向において磁場とともにエネルギーシフトする複数のブランチを観測しているが、ランダウ準位の理論計算との比較や光学遷移選択則を考慮することで、Dirac電子的なL点電子由来のもの、およびT点ホール由来のものを同定した。また、プラズマ端に由来するブランチが磁場の印加に伴いブルーシフトし分裂することを初めて観測したが、これはDirac電子とホールで構成される電子-ホールシステムにおける磁場依存性としてよく記述できることがわかった(参照：H. Noto, J. Phys. Soc. Jpn. 36, 1137 (1974).)。
更に、上述（１）（２）に加え、R4年度後期には（３）トポロジカル絶縁体相を含む幅広い組成範囲における単結晶Bi1-xSbx試料に関してランダウ準位間光学遷移の測定に着手し、まずはギャップが極小となる単結晶Bi0.95Sb0.05試料に関して測定を開始している。トポロジカル相では表面状態のランダウ準位間遷移観測の可能性があり今後の研究の進展に期待している。
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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
上述のように、R3年度およびR4年度には研究実施計画に従い、（１）“反射型”強磁場中テラヘルツ分光測定装置の開発、および（２）開発された測定装置を用い単結晶ビスマスのランダウ準位間光学遷移の測定を完了させており、引き続き（３）測定を計画しているBi1-xSbx合金試料のうち単結晶Bi0.95Sb0.05試料に関してランダウ準位間光学遷移の測定に着手している。
3ヶ年計画の本研究の全体的実施計画の観点からは、R3年度およびR4年度はほぼ計画通りに研究が進捗しており、最終年度に向けて研究目的達成につながる研究成果を挙げていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように、これまで本課題の実施計画における（１）および（２）に関して計画通りに遂行し十分な成果を得て達成しており、（３）トポロジカル絶縁体相を含む幅広い組成範囲における単結晶Bi_1-x_Sb_x_試料に関してランダウ準位間光学遷移の測定についても既に着手し推進している。
この状況を受けて、最終年度であるR5年度の推進方策としては、引き続き（3）数種類の組成の異なるBi_1-x_Sb_x_単結晶試料に関してランダウ準位間共鳴光学遷移の測定を着実に進めていくことが重要であると考えている。現在、Bi_1-x_Sb_x_合金試料におけるx = 0.05組成の単結晶試料に関して測定中であるが、本研究期間中に特に注目しているトポロジカル絶縁体相(0.07 < x < 0.22) の試料に関する測定を検討中であり、バルク状態に加えてトポロジカル表面状態の特徴的な電子状態に関する知見を得ることを目指す。
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| Causes of Carryover |
（理由）本研究のR4年度の研究実施計画においては、反射型強磁場テラヘルツ分光測定プローブ改良のための部品購入や測定に必要な液体ヘリウムなどの寒剤費に支出を予定していたが、他予算で購入するなど当初予定したほどは研究費を使用しなかったため、次年度使用額が発生した。
（使用計画）R5年度は、反射型強磁場テラヘルツ分光測定プローブ改良のための放物面集光鏡などの部品購入を計画している。また、複数個の組成の異なる試料に関して分光測定を計画しており、測定に必要なヘリウムなどの寒剤費に予算支出を予定している。
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