原子スケールで制御されたトポロジカル電子状態におけるダイナミクスの解明

• 研究課題/領域番号: 17J03534
• 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(実験)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 伊藤 俊 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: トポロジカル物質 / 角度分解光電子分光 / スピン分解光電子分光 / 時間分解光電子分光 / 表面原子吸着 / 量子サイズ効果

研究実績の概要

本年度ではまず、膜厚変調および原子吸着によって制御されたBi薄膜の光電子分光測定と第一原理計算、タイトバインディング計算、モデル計算を段階的に組み合わせることで、半世紀前から議論が続いてきた半金属-半導体転移の完全な描像を得ることに成功した。Bi薄膜の厚みが原子層スケールまで小さくなると、Biのトポロジカル表面電子状態の影響が増大していき、その表面の電荷分布の電子相関効果によって、量子化ポテンシャル自体が変形されていくという驚くべき描像である。近年注目を集めるトポロジカル物質のナノ構造において普遍的に存在する効果として、広い波及効果を持つと期待される。これは、この研究課題を開始した時点では全く予想していなかった展開であり、国際学会TASPECにてBest Student Presentation Awardを受賞した。結果を論文にまとめており、現在高インパクトファクター論文誌で査読中である。
スピン分解時間分解光電子分光の立ち上げについては昨年度から引き続きテスト測定を行ったが、磁場の影響が予想以上に強く、磁気遮蔽のさらなる改善が必要であることが明らかになった。改良型磁気シールドの納入が遅れてしまったことが影響し、標準試料を用いたテスト測定の段階に留まった。
Bi薄膜のスピン積分の超高速ダイナミクスについては、時間分解光電子分光測定に加えて、より精密な数値シミュレーションを行うことでサブピコ秒領域の光起電力生成機構を解明した。さらに、基板条件を精密に制御した光電子分光測定を行い、Bi薄膜特有の基板からの独立性がこの結果の背景にあることも明らかになった。これらの論文を準備中である。

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30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] Electronic structure of a monatomic Cu2Si layer on a Si substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Cameau, R. Yukawa, S. Ito, R. Ishibiki, K. Horiba, Y. Obata, T. Kondo, H. Kumigashira, M. D'angelo, I. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlling the surface photovoltage on WSe2 by surface chemical modification (2018)
  • 著者名/発表者名: Liu Ro-Ya、Ozawa Kenichi、Terashima Naoya、Natsui Yuto、Feng Baojie、Ito Suguru、Chen Wei-Chuan、Cheng Cheng-Maw、Yamamoto Susumu、Kato Hiroo、Chiang Tai-Chang、Matsuda Iwao
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 21 ページ: 211603-211603
  • DOI: 10.1063/1.5026351
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Alkali-metal induced band structure deformation investigated by angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principles calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Ito, B. Feng, M. Arita, T. Someya, W.-C. Chen, A. Takayama, T. Iimori, H. Namatame, M. Taniguchi, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, F. Komori, I. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 15 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.155423
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of 2D Anisotropic Dirac Cones (2018)
  • 著者名/発表者名: Baojie Feng, Jin Zhang, Suguru Ito, Masashi Arita, Cai Cheng, Lan Chen, Kehui Wu, Fumio Komori, Osamu Sugino, Koji Miyamoto, Taichi Okuda, Sheng Meng, Iwao Matsuda
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 30 号: 2 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1002/adma.201704025
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental realization of two-dimensional Dirac nodal line fermions in monolayer Cu2Si (2017)
  • 著者名/発表者名: Baojie Feng, Botao Fu, Shusuke Kasamatsu, Suguru Ito, Peng Cheng, Cheng-Cheng Liu, Ya Feng, Shilong Wu, Sanjoy K Mahatha, Polina Sheverdyaeva, Paolo Moras, Masashi Arita, Osamu Sugino, Tai-Chang Chiang, Kenya Shimada, Koji Miyamoto, Taichi Okuda, Kehui Wu, Lan Chen, Yugui Yao, Iwao Matsuda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01108-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 高繰り返し超短パルスレーザーを用いた高効率な超高速スピンダイナミクス測定システムの構築II (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤俊, 乙津聡夫, 河村紀一, 山本達, 谷峻太郎, 小林洋平, 小森文夫, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会2019年年次大会
• [学会発表] 高繰り返し超短パルスレーザーを用いた高効率な超高速スピンダイナミクス測定システムの構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤俊, 乙津聡夫, 河村紀一, 山本達, 谷峻太郎, 小林洋平, 小森文夫, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] Resolving the microscopic driving mechanisms of a semimetal-to-semiconductor transition in ultrahin bismuth films (2018)
  • 著者名/発表者名: Suguru Ito, Masashi Arita, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Guang Bian, Shu-Jung Tang, Tai-Chang Chiang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • 学会等名: International Workshop on Trends in Advanced Spectroscopy in Material Science (TASPEC)
  • 国際学会
• [学会発表] Resolving the microscopic driving mechanisms of a semimetal-to-semiconductor transition in ultrahin bismuth films (2018)
  • 著者名/発表者名: Suguru Ito, Masashi Arita, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, Cheng-Maw Cheng, Guang Bian, Shu-Jung Tang, Tai-Chang Chiang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • 学会等名: The 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-14)
  • 国際学会
• [学会発表] 高分解能角度分解光電子分光によるBi超薄膜の半金属-半導体転移の直接観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤俊, 有田将司, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, 生天目博文, 谷口雅樹, Cheng- Maw Cheng, Shu-Jung Tang, 小森文夫, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会2018年年次大会
• [学会発表] Solving mysteries in pure bismuth by quantum confinement (2017)
  • 著者名/発表者名: Suguru Ito, Baojie Feng, Masashi Arita, Akari Takayama, Ro-Ya Liu, Takashi Someya, Wei-Chuan Chen, Takushi Iimori, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Shu-Jung Tang, Fumio Komori, Katsuyoshi Kobayashi, Tai-Chang Chiang, Iwao Matsuda
  • 学会等名: The 33th European Conference on Surface Science (ECOSS-33)
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of a semimetal-to-semiconductor transition in bismuth thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Suguru Ito, Masashi Arita, Wei-Chuan Chen, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Cheng-Maw Cheng, Shu-Jung Tang, Fumio Komori, Iwao Matsuda
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-induced ultrafast potential shift observed at a metal-semiconductor interface of a Bi thin film (2017)
  • 著者名/発表者名: Suguru Ito, Yukiaki Ishida, Susumu Yamamoto, Shik Shin, Iwao Matsuda
  • 学会等名: The 10th International conference on Ultrafast Surface Dynamics (USD10)
  • 国際学会
• [学会発表] 表面吸着アルカリ金属原子からの電子ドーピングによるバンド構造の変形 (2017)
  • 著者名/発表者名: 伊藤俊, B. Feng, 有田将司, 染谷隆史, 高山あかり, W.-C. Chen, 飯盛拓嗣, 生天目博文, 谷口雅樹, C.-M. Cheng, S.-J. Tang, 小森文夫, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会