サイクロトロン共鳴によるトポロジカル絶縁体のディラック錐の電子状態の解明

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26400335
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 大久保 晋 神戸大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (80283901)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / サイクロトロン共鳴 / 高周波数 / 強磁場 / フェルミ面 / ディラック電子状態

Outline of Annual Research Achievements

バルクではエネルギーギャップが開いて絶縁体で、表面ではギャップが閉じていて金属状態が現れるとされているトポロジカル絶縁体の表面におけるエネルギー分散が線形分散をもつかどうかを実験的に調べる目的で、第２世代のトポロジカル絶縁体であるBi2Se3の単結晶試料のサイクロトロン共鳴の実験を引き続き行った。今年度に用いた試料ではバルクにもキャリアがあり、理想的なトポロジカル絶縁体ではないが、薄膜化によりバルクの寄与を減じたサイクロトロン共鳴を観測可能にする厚みと表面ディラック電子によるサイクロトロン共鳴の吸収強度を見定める測定を行った。昨年より4/5薄膜化させた4μmの試料を20層積層させて測定した結果、バルクキャリアによる吸収は観測されなくなったが表面キャリアからのサイクロトロン共鳴は観測出来なかった。この測定から安定して薄膜化出来るのは4μmまででそれ以上では試料が２つに割れることが分かってきた。そこで、測定系を見直し、測定の高感度化をはかるために光源から試料、検出器までの光学系を短縮化し、中間の伝送ロスを減らした測定系の作成のために短小化したクライオスタットを導入した。また、パルス磁場特有の低磁場領域における磁場分解能の低下を避けるべく、高分解能なA/D変換を持つデジタルストレージオシロスコープを導入した。テストではテラヘルツ領域で２倍の強度の光を受けることに成功している。今後、システムの最適化を行い、純良化や別の系の試料など観測を広げ、ディラック電子のサイクロトロン共鳴の観測をする。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

バルクではエネルギーギャップが開いて絶縁体で、表面ではギャップが閉じていて金属状態が現れるとされているトポロジカル絶縁体の表面におけるエネルギー分散が線形分散をもつかどうかを実験的に調べる目的で、トポロジカル絶縁体のサイクロトロン共鳴を行っているが、第２世代であるBi2Se3は構造的に原子欠損が生じやすく良好な試料の作成はかなりの熟練度とトライアルが必要である。良質な試料の作成には膨大なトライアルが必要でこの点で時間がかかっているうえ、表面からの寄与が予想以上に小さいため測定系を高感度化することを行ったが、小さな改良では充分な感度が得られないため、システム全体の高感度化に着手し、予想以上に時間がかかっている。

Strategy for Future Research Activity

今後加速的に研究を推進するためには、試料、計測系の両面で改良を進める必要がある。昨年度、装置開発中に試料提供をしていただいている協力研究者と綿密な打合せをし、最適化された純良試料の製作に取りかかってもらっていて、新試料の準備ができている。
測定装置系では、ハードウエアは概ね完成しているが、ソフトウエアの部分が未完成の状態なので、これを火急的速やかに完成させる予定である。
試料、計測系の両面が整い次第、測定に取りかかるが、さらなる感度向上が必要となれば、ソフトウエア的にノイズリダクションする方法としてデジタルロックイン手法の実装も視野にいれている。また第３世代と呼ばれる試料について作成も検討する必要があると考えている。

Causes of Carryover

装置開発に時間がかかり、測定に使用する試薬の購入をしなかったため残額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

試薬に使用する。