角度分解光電子分光による極性半導体のスピン軌道相互作用の研究

• 研究課題/領域番号: 13J09046
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂野 昌人 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円); 2015年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2014年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2013年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: 角度分解光電子分光 / トポロジカルバンド構造 / 空間反転対称性の破れ / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス

研究実績の概要

本年度は、主に下記の3テーマについて、角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた強いスピン軌道相互作用と空間反転対称性の破れが創るスピン分裂バンド構造の直接観測と、第一原理バンド計算を基にした微視的機構の解明を目指して、研究を行った。
1.レーザーARPES装置の改良と汎用化　望遠レンズ付きの高感度カメラを用いて2方向から測定試料をリアルタイム観測することによって、~0.1mm程度の試料でも、高精度にフェルミ面の測定を行うことが可能となった。装置性能の評価を行った結果、角度分解能< 0.2度、 偏光度>99%、および測定試料上のレーザーのスポット径~0.1mmを達成した。
2.極性半金属MoTe2におけるトポロジカルバンド構造の研究　MoTe2は低温相において、スピン偏極したアーク状のトポロジカル端状態が存在することが示唆されている。本研究では、自ら開発を進めてきたレーザーARPES装置を用いて、極性を有する結晶構造の表と裏において、異なるトポロジカル端状態が形成されていることを明らかにした。
3.PdBi2における超伝導状態の研究　東大物性研辛研究室と共同研究を行い、低温(~1K)まで到達可能なレーザーARPES装置を用いて、バルクとトポロジカル表面バンドの超伝導状態の電子状態を精査した。転移温度以下において、トポロジカル表面バンド構造においても、フェルミ準位の状態密度が減少し、超伝導ギャップが開く様子が観測された。
本研究課題を通して、当初想定していた極性半導体という範疇を大きく超えて、超伝導体を含む多様な物質において普遍的に存在するスピン軌道相互作用の役割やトポロジカルな性質を明らかにすることに成功した。さらに、所属研究室において1meVを切る高分解能測定が可能なレーザーARPES装置を定常運転化に至らせ、様々な物質の電子構造の高精度・短時間測定を可能にさせた。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Topologically protected surface states in a centrosymmetric superconductor β-PdBi_2 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano, K. Okawa, K. Kanou, H. Sanjo, T. Okuda, T. Sasagawa, K. Ishizaka
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms9595
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Momentum-Dependent Sign Inversion of Orbital Order in Superconducting FeSe (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Suzuki, T. Shimojima, T. Sonobe, A. Nakamura, M. Sakano, H. Tsuji, J. Omachi, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami, T. Watashige, R. Kobayashi, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Y. Yamakawa, H. Kontani, and K. Ishizaka
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 号: 20 ページ: 205117-205117
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.205117
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Valley-dependent spin polarization in bulk MoS2 with broken inversion symmetry (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Suzuki*, M. Sakano*, Y. J. Zhang, R. Akashi, D. Morikawa, A. Harasawa, K. Yaji, K. Kuroda, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ishizaka, R. Arita, and Y. Iwasa (*equal contribution)
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 9 号: 8 ページ: 611-617
  • DOI: 10.1038/nnano.2014.148
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lifting of xz/yz orbital degeneracy at the structural transition in detwinned FeSe (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Shimojima, Y. Suzuki, T. Sonobe, A. Nakamura, M. Sakano, J. Omachi, K. Yoshioka, M. Kuwata-Gonokami, K. Ono, H. Kumigashira, A. E. Böhmer, F. Hardy, T. Wolf, C. Meingast, H. v. Löhneysen, H. Ikeda, K. Ishizaka
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 12 ページ: 121111-121111
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.121111
  • 査読あり
• [学会発表] Observation of topologically protected surface states in a Bi-Pd superconductor (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano, K. Okawa, M. Kanou, H. Sanjo, T. Okuda, T. Sasagawa and K. Ishizaka
  • 学会等名: Workshop on “Topological Magnets“
  • 発表場所: 理化学研究所、埼玉県和光市
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会
• [学会発表] Bi層状化合物超伝導体におけるトポロジカル表面バンドの観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 坂野昌人，大川顕次郎，加納学，三條東彦，奥田太一，笹川崇男，石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学、東京都
  • 年月日: 2015-03-23
• [学会発表] 角度分解光電子分光による層状化合物β-Mo1-xNbxTe2のバンド構造の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 辻英徳，新谷慈，池浦晃至，坂野昌人，下志万貴博，酒井英明，石渡晋太郎，M.S.Bahramy，石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学、東京都
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] 角度分解光電子分光で見たFeSeの常伝導電子状態(2) (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木裕也，下志万貴博，園部竜也，中村飛鳥，坂野昌人，大間知潤子，吉岡孝高，五神真，小野寛太，組頭広志，A. B hmer，F. Hardy，T. Wolf，C. Meingast，H. v. L hneysen，笠原成，池田浩章，芝内孝禎，松田祐司，石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学、東京都
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] Observation of topologically protected surface states in a Bi-Pd superconductor (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano, K. Okawa, M. Kanou, H. Sanjo, T. Okuda, T. Sasagawa, and K. Ishizaka
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2015
  • 発表場所: San Antonio, United States
  • 年月日: 2015-03-07
• [学会発表] 角度分解光電子分光で見たFeSeの常伝導電子状態 (2014)
  • 著者名/発表者名: 鈴木裕也，下志万貴博，園部竜也，坂野昌人，大間知潤子，吉岡孝高，五神真，小野寛太，組頭広志，A. Bohmer，T. Wolf，C. Meingast，H. v. Loehneysen，池田浩章，石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学、愛知県
  • 年月日: 2014-09-09
• [学会発表] 空間反転対称性の破れた遷移金属カルコゲナイドにおけるスピン分裂バンド構造 (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂野昌人 (他11人)
  • 学会等名: 日本物理学会 第69回年次大会
  • 発表場所: 湘南、東海大学
  • 年月日: 2014-03-29
• [学会発表] Observation of out-of-plane spin-polarization in noncentrosymmetric transition metal dichalcoeenide (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano (and 11 people)
  • 学会等名: The 6th Indo-Japan seminar "Physics and Design of Multi-Functional Correlated Materials"
  • 発表場所: Hongo, The University of Tokyo
  • 年月日: 2014-03-24
• [学会発表] Observation of out-of-plane apin-polarization in noncentrosymmetric transition metal dichalcogenide (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano (and 11 people)
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting
  • 発表場所: Denver, Colorado Convention Center (USA)
  • 年月日: 2014-03-04
• [学会発表] Observation of aut-of-plane spin-polarization in noncentrosymmetric transition metal dichalcogenide (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano (and 11 people)
  • 学会等名: FIRST International Symposium on "Topological Quantum Technology"
  • 発表場所: Hongo, The University of Tokyo
  • 年月日: 2014-01-29
• [学会発表] 高繰り返し狭線幅5.9eVレーザー角度分解光電子文庫装置の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 坂野昌人 (他5人)
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島、徳島大学
  • 年月日: 2013-09-26
• [備考] トポロジカルな電子構造をもつ新しい超伝導物質の発見 -トポロジカル新物質の探索に新たな指針 -
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/epage/release/2015/20151013001.html
• [備考] バレートロニクス結晶中の電子スピンの直接観測・制御に成功
  • URL: http://www.t.u-tokyo.ac.jp/epage/release/2014/2014080501.html