新奇物性を創発する新世代トポロジカル絶縁体の創製

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24340078
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 笹川 崇男 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 准教授 (30332597)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 単結晶 / 第一原理計算 / 量子構造観察

Research Abstract

シリコンの限界を超える次世代デバイス材料として質量ゼロのディラック電子状態をもつグラフェンが注目されている。そのグラフェンを超越し凌駕できる可能性をもつ新電子材料である「トポロジカル絶縁体」について、新物質開拓とその良質大型単結晶化、そして単結晶を用いた電子状態の実験検証を継続して行っている。
新物質探索では、Bi2Te3 がもつホモロガス性に着目して、Bi-Te-Bi-Te-Bi の基本ユニットの層内への(GeTe)n 層の挿入、層間への (Bi2)m 層の挿入という２つのアプローチで、系統的な物質合成と評価を行った。良質な単結晶育成に成功した n,m = 0 (Bi2Te3), n = 1/2 (GeBi4Te7), 1 (GeBi2Te4), 2 (Ge2Bi2Te5), 3 (Ge3Bi2Te6), ∞ (GeTe) および m = 1/2 (BiTe), 1 (Bi4Te3), 2 (Bi2Te) について輸送特性の評価を詳細に行うとともに、第一原理計算で電子波動関数の集合が持つパリティ解析を行うことで、トポロジカル絶縁体であるか否かの判定を行った。
一方で、重元素のみで構成され、層状構造をもち、更に空間反転対称性をもたない物質を中心に物質探索を行うことで、「極性トポロジカル絶縁体」の開発に初めて成功した。従来のトポロジカル絶縁体に比べて、この物質を用いるとデバイス構造を単純化できるため、応用面でも注目を集めることとなり、新聞報道（日経産業新聞・21面、2013年10月16日）もなされた。
電子状態の実験検証においては、STM/STSを用いた原子レベルでの表面観察と電子状態マッピングにより、グラフェンとは異なってトポロジカル絶縁体のディラック電子状態は乱れに強いこと、更に、外部電圧によってナノスケールでトポロジカル表面状態を制御・記録できるなどの新機能を発見した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

昨年度までに確立した第一原理計算を活用した物質探索の方法論を活かし、構造や組成の系統性に着目することによって、成果の出にくい新物質探索においても予想以上の結果を得ることができたと自負している。
新物質を全て高品質の単結晶として作製することにより、STM や ARPES といった先端分光技術を用いた電子状態の実験検証に成功し、トポロジカル絶縁体がもつ電子状態の本質に迫ることが出来たとともに、新たな機能の芽も見い出せた。

Strategy for Future Research Activity

理論の進展もあり、未だ見つかっていない新しい種類のトポロジカル絶縁体の数はまだまだ増加している。
これまでに発見した物質群の物性評価を進めることで着実に成果を収穫するとともに、ここ数年間で培ったトポロジカル絶縁体に対する物質観を武器に、更に野心的に新物質開拓を推進してゆく。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

見積りを取った時点で、海外からの輸入機器の納期が間に合わないことが判明したため、購入をあきらめたものが１件ある。また、複数件の国際会議が国内（近郊）で行われたため、当初予定の旅費を大幅に節約することができたことも一因である。
輸入品の見積・発注を改めて年度の早い時点で行う。
また、国内外の主要な研究集会における成果公表に更に注力する。

Research Products

• [Journal Article] Electronic Structure of a Quasi-Freestanding MoS2 Monolayer (2014)
  • Author(s): T. Eknapakul, P. D. C. King, M. Asakawa, P. Buaphet, R.-H. He, S.-K. Mo, H. Takagi, K. M. Shen, F. Baumberger, T. Sasagawa, S. Jungthawan, and W. Meevasana
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 14 Pages: 1312-1316
  • DOI: 10.1021/nl4042824
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of a Single Topological Dirac Fermion in a Strong Inversion Asymmetric Compound BiTeCl (2013)
  • Author(s): Y. L. Chen, M. Kanou, Z. K. Liu, H. J. Zhang, J. A. Sobota, D. Leuenberger, S. K. Mo, B. Zhou, S.-L. Yang, P. S. Kirchmann, D. H. Lu, R. G. Moore, Z. Hussain, Z. X. Shen, X. L. Qi, and T. Sasagawa
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 9 Pages: 704-708
  • DOI: 10.1038/NPHYS2768
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Charge Localization in a Stripe-phase Nickelate (2013)
  • Author(s): G. Coslovich, B. Huber, W. -S. Lee, Y. -D. Chuang, Y. Zhu, T. Sasagawa, Z. Hussain, H. A. Bechtel, M. C. Martin, Z. -X. Shen, R. W. Schoenlein, and R. A. Kaindl
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 4 Pages: 2643/1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms3643
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Memory Effect in a Topological Surface state of Bi2Te2Se (2013)
  • Author(s): Y.-S. Fu, T. Hanaguri, S. Yamamoto, K. Igarashi, H. Takagi, and T. Sasagawa
  • Journal Title: ACS Nono Volume: 7 Pages: 4105-4110
  • DOI: 10.1021/nn400378f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal Growth and Physical Properties of the Noncentrosymmetric Superconductor PdBi (2013)
  • Author(s): K. Okawa, M. Kanou, T. Katagiri, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, and T. Sasagawa
  • Journal Title: Physics Procedia Volume: 45 Pages: 101-104
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2013.04.062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Absence of Superconductivity in the "Hole-doped" Fe pnictide Ba(Fe1-xMnx)2As2: Photoemission and X-ray Absorption Spectroscopy Studies (2013)
  • Author(s): H. Suzuki, T. Yoshida, S. Ideta, G. Shibata, K. Ishigami, T. Kadono, A. Fujimori, M. Hashimoto, D. H. Lu, Z.-X. Shen, K. Ono, E. Sakai, H. Kumigashira, M. Matsuo, and T. Sasagawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Pages: 10501-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.100501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time Manifestation of Strongly Coupled Spin and Charge Order Parameters in Stripe-ordered Nickelates via Time-resolved Resonant X-ray Diffraction (2013)
  • Author(s): Y. D. Chuang, W. S. Lee, T. Sasagawa, Z. X. Shen, et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 110 Pages: 127404/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.127404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dependence of Carrier Doping on the Impurity Potential in Transition-Metal-Substituted FeAs-based Superconductors (2013)
  • Author(s): S. Ideta, T. Yoshida, I. Nishi, A. Fujimori, Y. Kotani, K. Ono, Y. Nakashima, S. Yamaichi, T. Sasagawa, M. Nakajima, K. Kihou, Y. Tomioka, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, T. Ito, S. Uchida, and R. Arita
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 110 Pages: 107007/1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.107007
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 極性半導体BiTeIにおける圧力誘起構造相転移 (2014)
  • Author(s): 大村彩子、樋口雄一郎、中山敦子、藤久裕司、加納学、石川文洋、山田裕、中野智志、後藤義人、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 20140327-20140330
• [Presentation] 三次元ラシュバ物質およびトポロジカル絶縁体の開拓 (2014)
  • Author(s): 加納学、Yulin Chen、Zhi-xun Shen、笹川崇男
  • Organizer: 第61回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] トポロジカル絶縁体 (Bi,Sb)2(Te,Se)3 の電子状態と電子機能 (2014)
  • Author(s): 笹川崇男、五十嵐九四朗、山本宗平、Ying-shuang Fu、花栗哲郎、Yulin Chen、Zhi-xun Shen
  • Organizer: 第61回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] ホモロガス相を舞台としたトポロジカル絶縁体の探索 (2014)
  • Author(s): 村瀬正恭、浅川瑞生、加納学、笹川崇男
  • Organizer: 第61回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] Real-space imaging of Dirac-Landau orbits in Bi2Se3 (2014)
  • Author(s): Y. Fu, M. Kawamura, K. Igarashi, H. Takagi, T. Hanaguri, and T. Sasagawa
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2014
  • Place of Presentation: Denver, USA
  • Year and Date: 20140303-20140307
• [Presentation] Raman Scattering studies of Topological Insulators Bi2Te3, Bi2Se3, and Sb2Te3 (2014)
  • Author(s): K. Akintola, T. Andrews, S. Curnoe, and T. Sasagawa
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2014
  • Place of Presentation: Denver, USA
  • Year and Date: 20140303-20140307
• [Presentation] Visualizing a p-n junction of two-dimensional electronic gases on a polar semiconductor BiTeI (2014)
  • Author(s): Y. Kohsaka, M. Kanou, T. Hanaguri, H. Takagi, and T. Sasagawa
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2014
  • Place of Presentation: Denver, USA
  • Year and Date: 20140303-20140307
• [Presentation] 次世代電子材の種！？ －エキゾチック超伝導体からトポロジカル絶縁体まで－ (2014)
  • Author(s): 笹川崇男
  • Organizer: さきがけ「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」第1回領域会議
  • Place of Presentation: 高知
  • Year and Date: 20140207-20140208
  • Invited
• [Presentation] Exploration of Strongly Spin-Orbit-Coupled Electron Systems (2013)
  • Author(s): T. Sasagawa, M. Kanou, K. Igarashi, M. Murase, Y. Chen, and Z.-X. Shen
  • Organizer: International Symposium on EcoTopia Science 2013 and The 4th International Symposium on Advanced Materials Development and Integration of Novel Structured Metallic and Inorganic Materials
  • Place of Presentation: Nagoya, Japan
  • Year and Date: 20131213-20131215
• [Presentation] Exploration of 3D Rashiba Materials and Topological Insulators (2013)
  • Author(s): M. Kanou, Y. Chen, Z.-X. Shen, and T. Sasagawa
  • Organizer: International Workshop on Novel Superconductors and Super Materials 2013
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131121-20131122
• [Presentation] Single Crystal Growth and Superconductivity of Layered Ta-Dichalcogenides (2013)
  • Author(s): Y. Otake, S. Yamaichi, M. Kanou, M. Murase, and T. Sasagawa
  • Organizer: International Workshop on Novel Superconductors and Super Materials 2013
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131118-20131120
• [Presentation] Normal and Superconducting Properties in Single Crystals of the Noncentrosymmetric PdBi Compound (2013)
  • Author(s): K. Okawa, M. Kanou, T. Katagiri, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, and T. Sasagawa
  • Organizer: 26th International Symposium on Superconductivity
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131118-20131120
• [Presentation] ホモロガス相を舞台としたトポロジカル絶縁体の合成と電子構造(II) (2013)
  • Author(s): 村瀬正恭、浅川瑞生、加納学、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] 空間反転対称性の破れた超伝導体 PdBi の単結晶合成と物性評価(III) (2013)
  • Author(s): 大川顕次郎、加納学、片桐隆雄、柏谷裕美、柏谷聡、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] 層状極性半導体BiTeIの走査トンネル分光 (2013)
  • Author(s): 幸坂祐生、加納学、高木英典、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] 不純物ポテンシャル近傍におけるトポロジカル表面状態のランダウ準位 (モデル計算） (2013)
  • Author(s): 川村稔、付英双、五十嵐九四郎、高木英典、花栗哲郎、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] トポロジカル絶縁体のDirac表面状態におけるZeeman効果 (2013)
  • Author(s): 花栗哲郎、付英双、五十嵐九四郎、山本宗平、川村稔、高木英典、笹川崇男
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] BiTeBrにおける圧力誘起トポロジカル相転移の探索 (2013)
  • Author(s): 大村彩子、落合崇幸、樋口雄一郎、加納学、笹川崇男、石川文洋、中山敦子、山田裕、中野智志
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島
  • Year and Date: 20130925-20130928
• [Presentation] Anisotropic Properties in Single Crystals of the Noncentrosymmetric Superconductor PdBi (2013)
  • Author(s): K. Okawa, M. Kanou, T. Katagiri, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, and T. Sasagawa
  • Organizer: 11th European Conference on Applied Superconductivity
  • Place of Presentation: Genova, Italy
  • Year and Date: 20130915-20130919
• [Presentation] Normal and Superconducting Properties in Single Crystals of the Noncentrosymmetric PdBi Compound (2013)
  • Author(s): K. Okawa, M. Kanou, T. Katagiri, H. Kashiwaya, S. Kashiwaya, and T. Sasagawa
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130805-20130809
• [Presentation] Crystal Growth and Electronic Properties of 3D Rashba Materials BiTeX (X = Cl, Br, and I) (2013)
  • Author(s): M. Kanou and T. Sasagawa
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130805-20130809
• [Presentation] Topological Insulators in Homologous Phases of Ge-Bi-Te (2013)
  • Author(s): T. Sasagawa, M. Asakawa, M. Murase, and M. Kanou
  • Organizer: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130805-20130809
• [Presentation] Exploration of Three-dimensional Rashba Materials (2013)
  • Author(s): M. Kanou and T. Sasagawa
  • Organizer: The 7th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
  • Place of Presentation: Yokohama, Japan
  • Year and Date: 20130619-20130621
• [Presentation] 次世代電子材の種！？ －エキゾチック超伝導体からトポロジカル絶縁体まで－
  • Author(s): 笹川崇男
  • Organizer: 三菱化学科学技術研究センター講演会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Invited
• [Presentation] 強相対論物質 - トポロジカル絶縁体・ラシュバ物質 - の開拓
  • Author(s): 笹川崇男
  • Organizer: 神戸大学分子フォトサイエンス研究センター・創製光分子科学セミナー
  • Place of Presentation: 兵庫
  • Invited
• [Remarks] 東京工業大学応用セラミックス研究所・笹川研究室
  • URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~sasagawa