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2019 Fiscal Year Annual Research Report

電子状態解析に基づくトポロジカル物質相の探索

Publicly Offered Research

Project AreaDiscrete Geometric Analysis for Materials Design
Project/Area Number 18H04472
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

相馬 清吾  東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2020-03-31
Keywordsワイル半金属 / ディラック半金属 / スピン分解光電子分光
Outline of Annual Research Achievements

ARPES実験の更なる高精度・高効率化、また将来のpump-probe実験のための準備として、準CWレーザー光源の立ち上げとAREPS装置への導入を行なった。ARPES装置の電子フォーカス点の許容誤差は励起光のスポットがスリットと同程度以下(典型的には0.2 mm)となると大変厳しくなることから、測定時の試料の3次元座標を厳密に保つために、試料のモニタリングシステムを導入し試料位置制御の高精度化した。さらに、レーザー出力と試料上のスポットの高安定化のために、共鳴成分の監視システム、光学調整機構の可視化・自動化、湿度対策、清浄化対策、振動対策などを行い、装置全体の性能を向上させた。以上の結果、微小試料においてARPESバンド測定の空間依存性などの実験に成功することができた。
これら装置開発と並行して、トポロジカル半金属や関連物質について、高分解能ARPES実験を行った。線ノード型のトポロジカル半金属の表面バンドについて確立する目的で、結晶構造にグライド対称性をもつZrGeXc(Xc=S,Se,Te)において軟X線AREPS実験を行い、3次元バルク線ノード構造の観測に成功した。さらに高分解能ARPES実験の結果、全ての物質において共通して表面Dirac-node-arc電子バンドを観測した。以上の結果から、この表面状態が結晶のもつグライド対称性に起因したトポロジカルな電子状態であるとの示唆を得た。また、超伝導秩序と表面ディラック電子状態の関わりを調べるために、3次元トポロジカル絶縁体TlBiSe2の上に超伝導Pb薄膜を成長させ高分解能ARPES実験を行なった結果、Pbの量子化井戸準位がTlBIiSe2の表面バンドと混成し、さらに超伝導相において超伝導ギャップを形成することを見出した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (18 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] ケルン大学/マックスプランク研究所(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      ケルン大学/マックスプランク研究所
  • [Int'l Joint Research] diamond light source(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      diamond light source
  • [Int'l Joint Research] SOLEIL放射光施設(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      SOLEIL放射光施設
  • [Int'l Joint Research] NSRRC(その他の国・地域(台湾))

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      NSRRC
  • [Journal Article] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by topological proximity effect2020

    • Author(s)
      Trang C. X.、Shimamura N.、Nakayama K.、Souma S.、Sugawara K.、Watanabe I.、Yamauchi K.、Oguchi T.、Segawa K.、Takahashi T.、Ando Yoichi、Sato T.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1038/s41467-019-13946-0

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Nanomosaic of Topological Dirac States on the Surface of Pb5Bi24Se41 Observed by Nano-ARPES2019

    • Author(s)
      Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Trang Chi Xuan、Takane Daichi、Chen Chaoyu、Avila Jose、Takahashi Takashi、Sasaki Satoshi、Segawa Kouji、Asensio Maria Carmen、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 19 Pages: 3737~3742

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b00875

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeXc (Xc=S, Se, Te)2019

    • Author(s)
      Nakamura Takechika、Souma Seigo、Wang Zhiwei、Yamauchi Kunihiko、Takane Daichi、Oinuma Hikaru、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.245105

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Unusual change in the Dirac-cone energy band upon a two-step magnetic transition in CeBi2019

    • Author(s)
      Oinuma Hikaru、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Yoshida Makoto、Ochiai Akira、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 100 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.125122

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] ΘT1/2対称性に保護されたトポロジカル表面電子状態2020

    • Author(s)
      相馬 清吾
    • Organizer
      新学術領域「次世代物質探索のための離散幾何学」研究会「トポロジカル表面状態、ブレーンとソリトン、指数定理」
    • Invited
  • [Presentation] New topological phases protected by ΘT symmetry2019

    • Author(s)
      Seigo Souma
    • Organizer
      AIMR Workshop "Quantum Materials and Spintronics - spin, topology and superconductivity"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] トポロジカル半金属のバルクノード構造と表面電子状態:ARPES2019

    • Author(s)
      相馬清吾
    • Organizer
      第11回トポロジー連携研究会 「トポロジカル半金属」
    • Invited
  • [Presentation] 軟X線ARPESによるスピントロニクス材料の物性機能解明2019

    • Author(s)
      相馬清吾
    • Organizer
      日本物理学会 領域5, 領域3 合同シンポジウム 「次世代スピントロニクスに向けた軟X線放射光計測技術の発展」
    • Invited
  • [Presentation] A topological perspective to electronic structure in metallic borides verified by angle-resolved photoelectron spectroscopy2019

    • Author(s)
      Seigo Souma
    • Organizer
      20th International Symposium on Boron, Borides and Related Materials Boron, Borides and Related Materials,
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体/ファンデルワールス強磁性体ハイブリッドの高分解能ARPES2019

    • Author(s)
      加藤剛臣, 伊東直洋, 佐藤匠, 中田優樹, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [Presentation] トポロジカルヘテロ接合Pb/Bi/TlBiSe2の高分解能ARPES2019

    • Author(s)
      渡邉育子, Chi Xuan Trang, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 瀬川耕司, 山内邦彦, 小口多美夫, 高橋隆, 佐藤宇史
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [Presentation] ARPESに対するセミパラメトリックベイズ的スペクトル分解2019

    • Author(s)
      徳田悟, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史, 中西毅
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [Presentation] 電子状態解析に基づくトポロジカル物質相の探索2019

    • Author(s)
      相馬 清吾
    • Organizer
      新学術領域「次世代物質探索のための離散幾何学」研究成果発表会
  • [Presentation] 磁性転移による表面ディラックコーン電子状態のバンド変調:高分解能ARPES2019

    • Author(s)
      相馬 清吾
    • Organizer
      スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点 (SpiN-RNJ) 2019年度 年次報告会

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Published: 2021-01-27   Modified: 2022-08-19  

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