2021 Fiscal Year Research-status Report
モット絶縁体への表面ドーパント吸着による新規強相関電子状態の開拓
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21K13872
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
堀尾 眞史 東京大学, 物性研究所, 助教 (80897025)
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2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | モット転移 / 表面吸着 / 光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、モット絶縁体へのドーパント表面吸着による新奇なモット転移の探索に取り組んでいる。元素置換によるキャリアドープが不可能もしくはその効果が不明な物質に対して、アルカリ金属や有機分子の表面吸着によってキャリアドープを施し、電子状態の変化を光電子分光によって観測する。自由度の高い固体表面を土台に、新たな強相関金属状態を開拓することを目的としている。
本年度は、アルカリ金属及びC60の蒸着源を整備し、モット絶縁体Ca2RuO4を対象として角度分解光電子分光とX線内殻光電子分光を用いた研究を遂行した。角度分解光電子分光ではバンド構造の変化を直接的に捉えられるのに対し、X線内殻光電子分光では元素固有の内殻準位を観測することで、元素選択的な議論が可能となる。実際、アルカリ金属の吸着に伴ってCa2RuO4表面に金属的なバンド構造が現れ、それがRuの電子構造の変化に起因することを、角度分解及び内殻の相補的な光電子分光測定を用いて明らかにすることに成功した。得られたバンド構造は単純な電子ドープによる効果では説明できず、クラスターモデルを用いた理論計算により、Ca2RuO4表面におけるアルカリ金属との軌道選択的なバンド混成を考慮する必要があることがわかった。一方、ホールドープに用いられるC60分子の吸着によってもRu電子に金属化の兆候が見られ、Ca2RuO4に対して電子・ホールドープの双方で金属状態が実現できることを示唆する結果が得られた。
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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
本研究で目的としているドーパント表面吸着によるモット転移をCa2RuO4に対して観測することに成功し、理論的な考察を経て転移の起源に関する包括的な理解へと到達した。ドーパントの蒸着源の整備を完了させ、角度分解光電子分光とX線内殻光電子分光を相補的に用いたモット転移の観測法についても確立することができた。本手法を用いて、今後対象物質を拡大してさらなる研究を展開する準備が整っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本手法を用いながら対象を拡大して研究を行っていく。多様なモット絶縁体への表面キャリアドープを推し進める一方で、モット転移近傍の強相関金属状態におけるキャリアドープ効果についても検証を行う。例えば、モット絶縁体を母物質とする銅酸化物高温超伝導体では、バルク結晶への電子ドープに関連した不純物効果が問題となる場面がある。表面吸着によって、結晶に欠損や不純物を導入することなく電子ドープを行うことで、銅酸化物高温超伝導体における純粋な電子ドープ効果を抽出することができると考えられる。また、モット絶縁体Ca2RuO4の姉妹物質であるCa3Ru2O7では、モット絶縁性が抑制され金属状態が実現する一方で、格子・スピン・電荷の自由度が結合した劇的な相転移が起きることが知られる。強い電子相関との関連が示唆されるものの、全面的な起源・性質の理解には至っていない。そこで、キャリアドープによる電子相関の変調がこの相転移に与える影響を精査することで、相転移と電子相関の直接的な関連を調べる。このように、モット転移そのものだけではなく、モット転移近傍の物理にまで対象の幅を広げ、表面における自由度の高いキャリアドープという切り口から研究を展開していく。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の中、旅費が想定額を下回った。今年度は制限の緩和が見込まれるため、今年度分の旅費として使用する。
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[Presentation] Ca2RuO4への表面キャリアドープによるモット転移: 角度分解光電子分光による研究2021
Author(s)
堀尾眞史, D. Sutter, F. Forte, C. G. Fatuzzo, S. Moser, 和田哲弥, R. Fittipaldi, A. Vecchione, V. Granata, Y. Sassa, G. Gatti, M. Grioni, H. M. Ronnow, M. Hoesch, T. K. Kim, C. Jozwiak, A. Bostwick, E. Rotenberg, 松田巌, M. Cuoco, J. Chang
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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[Presentation] Alkali-metal induced surface metallization of the Mott insulator Ca2RuO4 studied by angle-resolved photoemission spectroscopy2021
Author(s)
M. Horio, D. Sutter, F. Forte, C. G. Fatuzzo, S. Moser, T. Wada, R. Fittipaldi, A. Vecchione, V. Granata, Y. Sassa, G. Gatti, M. Grioni, H. M. Ronnow, M. Hoesch, T. K. Kim, C. Jozwiak, A. Bostwick, E. Rotenberg, I. Matsuda, M. Cuoco, J. Chang
Organizer
The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Surface-doping induced Mott breakdown in Ca2RuO42021
Author(s)
M. Horio, D. Sutter, F. Forte, C. G. Fatuzzo, S. Moser, T. Wada, R. Fittipaldi, A. Vecchione, V. Granata, Y. Sassa, G. Gatti, M. Grioni, H. M. Ronnow, M. Hoesch, T. K. Kim, C. Jozwiak, A. Bostwick, E. Rotenberg, I. Matsuda, M. Cuoco, J. Chang
Organizer
Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-X)
Int'l Joint Research
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