鏡面対称性と強い電子相関がもたらす新奇なトポロジカル量子現象の分光イメージング

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26707016
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 岡田 佳憲 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (00707656)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 走査トンネル顕微鏡 / トンネル分光

Outline of Annual Research Achievements

2007年の理論予言以降、単純な金属でも単純な絶縁体でもない、特殊な金属状態を結晶表面に有するトポロジカル絶縁体(TI)が注目されており、基礎・応用の両観点からグラフェンを越える可能性を有する物質として世界中で盛んに研究されている。一方で、最近ではTIに関する新たな研究の展開が望まれているのも事実である。本研究では、特に”トポロジカル結晶絶縁体(TCI)” と呼ばれる新種のTIに着眼して研究を行っている。

26年度の研究では、TCIに属するPb1-xSnxSeに着眼し、いくつかのTCI特有の性質を走査トンネル顕微鏡による原子分解トンネル分光によって捕らえることに成功した。一つ目の発見として、Dirac点に対して高エネルギー側と低エネルギー側では実空間における電子同士の量子力学的な干渉が定性的に異なることを実験的に捕えることに成功した。このような観測結果は、Dirac点を境にしてバンドを担う電子の軌導の性質が異なる結果として説明できた。さらに、二つ目の発見としては、鏡面対称性の破れを伴う結晶表面の歪みに応答したDiracバンドのギャップを磁場中でのランダウレベル分光から実験的に見出すことに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

トポロジカル結晶絶縁体の一つであるPb1-xSnxSeを超高真空下で壁開し、走査トンネル顕微鏡を用いて低温でのトンネル分光を行った。磁場を印加することでランダウレベルを形成させ、スペクトルを解析することでDirac電子のバンド構造を詳細に調べることが可能である。現在までの測定で明らかになってきたことは、結晶表面では原子配列の歪みによって鏡面対称性が破れ、この対称性の破れがDirac電子のバンド構造にエネルギーギャップを与えていることである。ここで興味深いことは、結晶表面で重要となる鏡面は2種類あり、この一方のみが対称性を破って鏡面ではなくなるという非常に特殊な状況が実現していることである。この帰結として、4個のDirac錘のうちの2個のみにエネルギーギャップが出現することがわかってきた。つまり、一言で結晶表面の鏡面対象性が破れるといっても、その様相によって4個のDirac錘は様々にエネルギーギャップを持ちうることを示している。このように、TCIならではの性質を原子レベルで実験的に示せたことは大きな成果であり、研究計画はおおむね順調に進んでいるといえる。

Strategy for Future Research Activity

Dirac電子系へのエネルギーギャップの導入はデバイスへの応用の観点から重要である。しかも、本研究で着眼しているPb1-xSnxSeでは4個のDirac錘があり、各Dirac錘のギャップを個別に制御できる可能性がある大変興味深い物質である。今後は、定性的な議論を超え、ドーピング量xを様々に変えたPb1-xSnxSeのDirac電子のバンドに形成されるエネルギーギャップの大きさを決定している因子を定量的に解明し、さらには積極的に制御する技術を確立することが目標である。

Causes of Carryover

本年度は、研究を実行する上で走査トンネル顕微鏡測定を行う薄膜試料のX線解析を行う必要に迫られ、その設備投資が急務になった。よって、当初の計画を変更してX 線解析装置を購入した。この物品費への投資が次年度使用額が生じた理由である。しかし、結果的にこの物品費への投資は今後の研究を大きく加速することになった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

今後は、走査トンネル顕微鏡によるトンネル分光実験に必要な液体ヘリウムの購入など、主に研究計画を遂行するに当たっての消耗品費へ経費を当てる予定である。また、研究成果を国内外で発表するために必要となる旅費へも十分に当てる予定である。

Research Products

• [Journal Article] “Nanoscale Determination of the Mass Enhancement Factor in Lightly-Doped Bulk Insulator PbSe” (2015)
  • Author(s): I. Zeljkovic, K. L. Scipioni, D. Walkup, Yoshinori Okada, Wenwen Zhou, R. Sankar, G. Chang, Y. J. Wang, H. Lin, A. Bansil, F. Chou, Z. Wang and V. Madhavan
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 6 Pages: 6559-6563
  • DOI: doi:10.1038/ncomms7559
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] "Transformation of Dirac Surface States across the Quantum Phase Transition in a Topological Crystalline Insulator" (2015)
  • Author(s): I. Zeljkovic★, Yoshinori Okada★, C. Y. Huang, R. Sankar, D. Walkup, W. Zhou, M. Serbyn, F. Chou, W. F. Tsai, H. Lin, A. Bansil, L. Fu, M. Z. Hasan, V. Madhavan (★equal contribution)
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 14 Pages: 318-324
  • DOI: doi:10.1038/nmat4215
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Mapping the unconventional orbital texture in topological crystalline insulators " (2014)
  • Author(s): I. Zeljkovic★, Yoshinori Okada★, C. Y. Huang, R. Sankar, D. Walkup, W. Zhou, M. Serbyn, F. Chou, W. F. Tsai, H. Lin, A. Bansil, L. Fu, M. Z. Hasan, V. Madhavan (★equal contribution)
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 10 Pages: 572-577
  • DOI: doi:10.1038/nphys3012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] "Electronic phase separation in the doped spin-orbit driven Mott phase of Sr3(Ir1-xRux)2O7" (2014)
  • Author(s): C. Dhital, T. Hogan, W. Zhou, X. Chen, Z. Ren, M. Pokharel, Yoshinori Okada, M. Heine, Wei Tian, Z. Yamani, C. Opeil, J. S. Helton, J. W. Lynn, Z. Wang, V. Madhavan, S. D. Wilson
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 5 Pages: 3377-3383
  • DOI: doi:10.1038/ncomms4377
  • Peer Reviewed
• [Presentation] “Visualization of Quasiparticle Interference on the Surface of SrVO3 Film” (invited) (2015)
  • Author(s): Yoshinori Okada, R. T. Chang, R. Shimizu, G. Chang, S. Shiraki, H. T. Jeng, H. Lin, T. Hitosugi
  • Organizer: ICMAT2015 - the 8th Biennial International Conference on Materials for Advanced Technologies (シンガポール)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2015-06-28 – 2015-07-03
  • Invited
• [Presentation] “Visualization of quasiparticle interference on the surface of SrVO3 film” (2015)
  • Author(s): Yoshinori Okada, T. R. Chang, R. Shimizu, G. Chang, H. T. Jeng, S. Shiraki, H. Lin, T. Hitosugi
  • Organizer: Ａｍｅｒｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｍａｒｃｈ Ｍｅｅｔｉｎｇ (米国)
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] ”Scanning tunneling spectroscopy investigation of the topological phase transition in (Bi1-xInx)2Se3” (2015)
  • Author(s): D. Walkup, W. Zhou, I. Zeljkovic, Yoshinori Okada, Z. Ren, K. Scipioni, S. Wilson, V. Madhavan
  • Organizer: Ａｍｅｒｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｍａｒｃｈ Ｍｅｅｔｉｎｇ (米国)
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] ”Nanoscale Determination of the Mass Enhancement Factor in Lightly-Doped Bulk Insulator PbSe” (2015)
  • Author(s): K. Scipioni, I. Zeljkovic, D. Walkup, Yoshinori Okada, W. Zhou, R. Sankar, G. Chang, Y. J. Wang, H. Lin, A. Bansil, F. Chou, Z. Wang, V. Madhavan
  • Organizer: Ａｍｅｒｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｍａｒｃｈ Ｍｅｅｔｉｎｇ (米国)
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] “Direct visualization of atomic and electronic structure on perovskite oxide film surface” (invited) (2015)
  • Author(s): T. Ohsawa, K. Iwaya, Yoshinori Okada, R. Shimizu, S. Shiraki, T. Hitosugi,
  • Organizer: SPIE Photonics West OPTO (米国)
  • Place of Presentation: The Moscone Center, CA, US
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-12
  • Invited
• [Presentation] ”STM probing of topological states” （Ｉｎｖｉｔｅｄ）） (2014)
  • Author(s): Ｙｏｓｈｉｎｏｒｉ Ｏｋａｄａ
  • Organizer: E-MRS 2014 FALL MEETING (ポーランド)
  • Place of Presentation: Warsaw University of Technology, Poland
  • Year and Date: 2014-09-15 – 2014-09-19
  • Invited