空間反転対称性の破れた3ｄ遷移金属モノシリサイドの電子状態・スピン構造の解明

• 研究課題/領域番号: 18K03519
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 有田 将司 広島大学, 技術センター, 技術専門職員 (20379910)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: スピン・角度分解光電子分光 / 近藤半導体 / 強相関物質 / 電子相関 / トポロジカル物質 / 角度分解光電子分光 / モノシリサイド / スピン分解光電子分光 / スピン

研究成果の概要

空間反転対称性の破れた結晶構造を持つ3d遷移金属シリサイドの電子状態とスピン状態の解明を行うためにFeSiの機械研磨した清浄面に対し、角度分解・スピン分解光電子分光測定を行った。明瞭な3次元バンド分散を初めて実験的に得ることに成功し、モデル自己エネルギーを使ったスペクトル関数解析を行った。結果、これまで報告してきた電子－電子相互作用の強度はバンド全体で小さいことが分かった。しかしながら、フェルミ準位近傍は、強いバンドのくりこみが捕らえられ、強い相関効果を示唆する。また、Γ-Xでの面内スピン構造を測定することができ、フェルミ準位近傍のバンドについてΓ点を挟みスピンが反転する様子をとらえた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

FeSiは、ありふれた元素の化合物であるが、3d電子系における近藤絶縁体として強い電子相関効果に対する研究が長年なされている。近年では、トポロジカル近藤半導体SmB6や同様の空間反転対称性が破れた結晶構造を持つCoSiなどの類似物質としても注目されている。結晶構造は構造は空間反転対称性の破れを持ち、スピン軌道相互作用（SOI）を顕在化させると考えられる。
今回の成果のうち、電子相関効果の研究は、金属絶縁体転移や特異な温度による磁化率の変化の解明につながる。またバルクでの特異なスピン構造は、比較的軽元素である3d遷移金属化合物でも、系の対称性によりSOI効果が顕著になっている証拠である。

研究成果

• [雑誌論文] Experimental observation of Dirac cones in artificial graphene lattices (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yue, H. Zhou, D. Geng, Z. Sun, M. Arita, K. Shimada, P. Cheng, L. Chen, S. Meng, K. Wu and B. Feng
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.201401
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superconductivity and Fermi-surface nesting in the candidate Dirac semimetal NbC (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Yan, D. Geng, Q. Gao, Z. Cui, C. Yi, Y. Feng, C. Song, H. Luo, M. Yang, M. Arita, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, L. Zhao, K. Wu, H. Weng, L. Chen, X. J. Zhou, Z. Wang, Y. Shi and B. Feng
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.205117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic and crystal structures of (Na1-xCax)Cr2O4 with anomalous colossal magnetoresistance (2020)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Yamaoka, Eike F. Schwier, Yoshiya Yamamoto, Masashi Nakatake, Masahiro Sawada, Hiroya Sakurai, Naohito Tsujii, Masashi Arita, Hideaki Iwasawa, Munetaka Taguchi, Kenya Shimada, Jun'ichiro Mizuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 23
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.235150
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thickness-induced metal to insulator transition in Ru nanosheets probed by photoemission spectroscopy: Effects of disorder and Coulomb interaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Ootsuki Daiki、Kodera Kenjiro、Shimonaka Daiya、Arita Masashi、Namatame Hirofumi、Taniguchi Masaki、Minohara Makoto、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Ikenaga Eiji、Yasui Akira、Uchimoto Yoshiharu、Toyoda Satoshi、Morita Masahito、Fukuda Katsutoshi、Yoshida Teppei
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 15411-7
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58057-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Devil's staircase transition of the electronic structures in CeSb (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Kenta、Arai Y.、Rezaei N.、Kunisada S.、Sakuragi S.、Alaei M.、Kinoshita Y.、Bareille C.、Noguchi R.、Nakayama M.、Akebi S.、Sakano M.、Kawaguchi K.、Arita M.、Ideta S.、Tanaka K.、Kitazawa H.、Okazaki K.、Tokunaga M.、Haga Y.、Shin S.、Suzuki H. S.、Arita R.、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 2888-2888
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16707-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental evidence of monolayer AlB2 with symmetry-protected Dirac cones (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Geng, K. Yu, S. Yue, J. Cao, W. Li, D. Ma, C. Cui, M. Arita, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, P. Cheng, L. Chen, K. Wu, Y. Yao and B. Feng
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.161407
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Momentum Dependent Band Renormalization and Surface Aging Effect on a Zone Center Electron Pocket in NaSn2As2 Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Akabane Yuka、Shimaiwa Taiki、Goto Yosuke、Mizuguchi Yoshikazu、Yokoya Takayoshi、Arita Masashi、Kumar Shiv、Schwier Eike F.、Shimada Kenya、Saini Naurang L.、Mizokawa Takashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 11 ページ: 114707-114707
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.114707
  • NAID: 210000158555
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Surface-state Coulomb repulsion accelerates a metal-insulator transition in topological semimetal nanofilms (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito S.、Arita M.、Haruyama J.、Feng B.、Chen W.-C.、Namatame H.、Taniguchi M.、Cheng C.-M.、Bian G.、Tang S.-J.、Chiang T.-C.、Sugino O.、Komori F.、Matsuda I.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 号: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz5015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rashba-like spin splitting along three momentum directions in trigonal layered PtBi2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Feng Ya、Jiang Qi、Feng Baojie、Yang Meng、Xu Tao、Liu Wenjing、Yang Xiufu、Arita Masashi、Schwier Eike F.、Shimada Kenya、Jeschke Harald O.、Thomale Ronny、Shi Youguo、Wu Xianxin、Xiao Shaozhu、Qiao Shan、He Shaolong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12805-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gapless Surface Dirac Cone in Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4 (2019)
  • 著者名/発表者名: Hao Yu-Jie、Liu Pengfei、Feng Yue、Ma Xiao-Ming、Schwier Eike F.、Arita Masashi、Kumar Shiv、Hu Chaowei、Lu Rui’e、Zeng Meng、Wang Yuan、Hao Zhanyang、Sun Hong-Yi、Zhang Ke、Mei Jiawei、Ni Ni、Wu Liusuo、Shimada Kenya、Chen Chaoyu、Liu Qihang、Liu Chang
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 9 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevx.9.041038
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopic Evidence for Electron-Boson Coupling in Electron-Doped Sr2IrO4 (2019)
  • 著者名/発表者名: Hu Yong、Chen Xiang、Peng S.-T.、Lane C.、Matzelle M.、Sun Z.-L.、Hashimoto M.、Lu D.-H.、Schwier E. F.、Arita M.、Wu T.、Markiewicz R. S.、Shimada K.、Chen X.-H.、Shen Z.-X.、Bansil A.、Wilson S.-D.、He J.-F.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 21
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.216402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Orbital-dependent band renormalization in WTe2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Matsumoto, T. Sugimoto, T. Mizokawa, N. L. Saini, M. Arita, R. Jha, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, and Y. Aoki
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 98 号: 20 ページ: 205138-205138
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.205138
  • NAID: 130007734637
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced surface state protection and band gap in the topological insulator PbBi4Te4S3 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW MATERIALS 巻: 2 号: 10 ページ: 104201-104201
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.104201
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 角度分解光電子分光で観察した希薄キャリア超伝導体におけるフラットバンド構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 秋元優紀, 黒田健太, 越智正之, 川口海周, 櫻木俊輔, 新井陽介, 万宇軒, 黒川輝風, 田中宏明, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 辛埴, 平井大悟郎, 廣井善二, 山田高広, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] CaKFe4As4の特異なフェルミ面構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 氷上颯馬, 森綱尚輝, 溝川貴司, 石田茂之, 永崎洋, 伊豫彰, 今井基晴, 阿部英樹, 有田将司, Shiv Kumar, Eike F. Schwier, 島田賢也, N.L. Saini
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] FeSiの角度分解光電子分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有田将司, E. F. Schwier, 佐藤仁, 島田賢也, 鹿又 武
  • 学会等名: 日本放射光学会
• [学会発表] 角度分解光電子分光で調べる希薄キャリア超伝導体の電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 秋元優紀, 黒田健太, 川口海周, 櫻木俊輔, 新井陽介, 万宇軒, 黒川輝風, 田中宏明, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 辛埴, 平井大悟郎, 廣井善二, 山田高広, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] グラフェン波動関数位相と基板での光電子散乱のARPESによる観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中慎一郎, 有田将司, 島田賢也
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] 価数相転移物質YbInCu4の角度分解光電子分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 前田和大, 松本拓真, 田中佑, 佐藤仁, 有田将司, 島田賢也, 松本圭介, 平岡耕一
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] LaドープしたCeRu2Al10の角度分解光電子分光測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山岡人志, 谷田博司, Eike Schwier, Shiv Kumar, 有田将司, 島田賢也
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] カイラル結晶構造を持つIrGe4の光電子分光 (2019)
  • 著者名/発表者名: 島岩泰暉, 密岡拓心, 溝川貴司, 大村瑠美, 千葉優馬, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二, 有田将司, A. Barinov, V. Kandyba, A. Giampietri, N. L. Saini
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] CaKFe4As4のマルチバンド電子状態と格子不安定性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 氷上颯馬, 森綱尚輝, 溝川貴司, 石田茂之, 永崎洋, 伊豫彰, 今井基晴, 阿部英樹, 有田将司, N.L. Saini
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] ビスマス超薄膜における半金属－半導体転移の微視的機構の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤俊, 有田将司, 春山潤, Baojie Feng, Wei-Chuan Chen, 生天目博文, 谷口雅樹, Cheng-Maw Cheng, Guang Bian, Shu-Jung Tang, G, Tai-Chang Chiang, 杉野修, 小森文夫, 松田巌
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるTaAsの電子構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 島岩泰暉, 密岡拓心, 村川寛, 駒田盛是, 横井滉平, 酒井英明, 花咲徳亮, 有田将司, E.F. Schwier, 島田賢也, 生天目博文, 溝川貴司
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるCeRuPOのバンド構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森綱尚輝, 守田智洋, 密岡拓心, 溝川貴司, 有田将司, 菅原仁
  • 学会等名: 日本物理学会 年次大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるWTe2の軌道に依存したバンドの繰り込み (2018)
  • 著者名/発表者名: 松本凌弥, 杉本拓也, 溝川貴司, Naurang Saini, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, Rajveer Jha, 東中隆二, 松田達磨, 青木勇二
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるSn1-xNaxSeの電子状態の不均一性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 赤羽祐香, 前田瑞綺, 山本健登, G. Tan, L.-D. Zhao, M.G. Kanatzidis, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, N.L. Saini, 溝川貴司
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] 縮退半導体の異常なケミカルポテンシャルシフト：角度分解光電子分光によるSnSeとSn1-xNaxSeの電子状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 前田瑞綺, 赤羽祐香, 山本健登, G. Tan, L.-D. Zhao, M.G. Kanatzidis, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, N.L. Saini, 溝川貴司
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] 光電子分光によるRuPの金属－非磁性絶縁体転移の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大槻太毅, 澤田慶, 柴田大輔, 川本雅人, 吉田鉄平, N. L. Saini, 溝川貴司, 後藤広樹, 小西健久, 太田幸則, 保井晃, 池永英司, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 平井大悟郎, 高木英典
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] 高分解能角度分解光電子分光を用いたBi2212の電子構造におけるCo置換効果の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮下剛夫, Wumiti Mansuer, 田北仁志, 久保拓也, 石坂仁志, Eike F. Schwier, 岩澤英明, 島田賢也, 有田将司, 沼田純典, 宇都達郎, 松田梓, 井野明洋
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会