レーザー光電子分光を用いたトポロジカル超伝導体の研究

• 研究課題/領域番号: 19F19030
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 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: 東京大学
• 研究代表者: 近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
• 研究分担者: ZHANG PENG 東京大学, 物性研究所, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2020年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円); 2019年度: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円)
• キーワード: 光電子分光 / トポロジカル物性 / 超伝導

研究開始時の研究の概要

トポロジカル物性研究は幅広い分野から注目を集めている。特に、量子コンピュータを通じて実社会への恩恵が期待されるマヨラナ粒子の創発は、宇宙に潜むダークマターとの関連や、その予言後すぐに消息を絶ったイタリアの物理学者に関する歴史的ドラマも後押しして、社会的インパクトは大きく、トポロジカル物性分野を主導する一大テーマだと言える。理論計算で予想される固体内素励起は、電子が持つ運動量とエネルギーの分散関係として表現させるため、物質の電子構造を直接観察し、その一対一対応を実験的に検証する必要がある。本研究ではARPESを用いた直接バンド観察からマヨラナ粒子物性研究に貢献する。

研究実績の概要

層状チェーン構造を持つ擬一次元セミメタルとして知られているZrTe5およびTaSe3に着目し研究を行なった。ZrTe5は弱いトポロジカル絶縁相の候補物質、またTaSe3は強いトポロジカル絶縁相の候補物質として理論的な提案があった。特に、TaSe3は2K以下で超伝導転移を示すことから、マヨラナ粒子創発の舞台としても興味深い。第一原理計算では、ZrTe5やTaSe3に一軸ひずみを適用することにより、強いTI、弱いTI、Dirac半金属、および通常の絶縁体相間でトポロジー相転移することが予測されている。これらは、ひずみで引き起こされるトポロジカル相転移を研究するための理想的な舞台を提供し、マヨラナ粒子を制御する観点でも興味が持たれる。角度分解光電子分光（ARPES）による電子構造の直接観察は、トポロジカル特性を解明する強力な研究手法である。我々はレーザーベースのスピン分解ARPES測定をも実施し、ZrTe5およびTaSe3の電子構造と可能なトポロジカル表面状態（TSS）の最初の明確な観測を報告した。ZrTe5は弱いトポロジカル絶縁相にあること、またTaSe3は強いトポロジカル絶縁相にあることを実験から実証した。我々の結果はさらに、擬一次元TaSe3で発現する強いTI相に由来したトポロジカル超伝導の可能性を示すだけでなく、一軸ひずみでそれを制御する方法を提案した点で特に本研究目的に直結する進展があった。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2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] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Peng、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Lin Chun、Kawaguchi Kaishu、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Lippmaa Mikk、Nie Simin、Weng Hongming、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Li Qiang、Gu G. D.、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 406-406
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains (2021)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Ryo、Kobayashi Masaru、J. Zhanzhi、Kuroda Ken
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 20 号: 4 ページ: 473-479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • 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] Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor (2020)
  • 著者名/発表者名: Kunisada So、Isono Shunsuke、Kohama Yoshimitsu、Sakai Shiro、Bareille Ce'dric、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Kurokawa Kifu、Kuroda Kenta、Ishida Yukiaki、Adachi Shintaro、Sekine Ryotaro、Kim Timur K.、Cacho Cephise、Shin Shik、Tohyama Takami、Tokiwa Kazuyasu、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Science 巻: 369 号: 6505 ページ: 833-838
  • DOI: 10.1126/science.aay7311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-energy electron-mode couplings in the surface bands of Sr2RuO4 revealed by laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Akebi Shuntaro、Kondo Takeshi、Nakayama Mitsuhiro、Kuroda Kenta、Kunisada So、Taniguchi Haruka、Maeno Yoshiteru、Shin Shik
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.081108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dirac Surface States in Intrinsic Magnetic Topological Insulators EuSn2As2 and MnBi2nTe3n+1 (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Li, S.-Y. Gao, S.-F. Duan, Y.-F. Xu, K.-J. Zhu, S.-J. Tian, J.-C. Gao, W.-H. Fan, Z.-Cheng Rao, J.-R. Huang, J.-J. Li, Da-Yu Yan, Z.-T. Liu, W.-L. Liu, Y.-B. Huang, Y.-L. Li, Y. Liu, G.-B. Zhang, P. Zhang, T. Kondo, S. Shin, H.-C. Lei, Y.-G. Shi, W.-T. Zhang, H.-M. Weng, T. Qian, and H. Ding
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW X 巻: 9 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevx.9.041039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Band structure of overdoped cuprate superconductors: Density functional theory matching experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Kramer K. P., Horio M., Adachi T., Ohgi T., Kawamata T., Koike Y. 他22名
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.224509
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Density Wave Probes Cuprate Quantum Phase Transition (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatiana A. Webb, Michael C. Boyer, Yi Yin, Debanjan Chowdhury, Yang He, Takeshi Kondo, T. Takeuchi, H. Ikuta, Eric W. Hudson, Jennifer E. Hoffman, and Mohammad H. Hamidian
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 9 号: 2
  • DOI: 10.1103/physrevx.9.021021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple topological states in iron-based superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: P.Zhang, Z. Wang, X. Wu, K. Yaji, Y. Ishida, Y. Kohama, G. Dai, Y. Sun, C. Bareille1, K. Kuroda, T. Kondo1, K. Okazaki, K. Kindo1, X. Wang, C. Jin, J. Hu, R. Thomale, K. Sumida, S. Wu, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Ding, G. D. Gu, T. Tamegai, T. Kawakami, M. Sato, S. Shin
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 15 号: 1 ページ: 41-47
  • DOI: 10.1038/s41567-018-0280-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 角度分解光電子分光で調べる空間反転対称性の破れた反強磁性体CoNb3S6の電子構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 岡崎尚太, 黒田健太, 平山元昭, 野本拓也, 見波将, 野口亮, 新井陽介, 出田真一郎, 田中清尚, 室隆桂之, 有田亮太郎, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] 黒リンの角度分解光電子分光スペクトルにおける量子干渉効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 黒田健太, 高橋敬成, 新井陽介, 田中宏明, Zhang Peng, 國定聡, 合戸洸平, 室隆桂之, 出田真一郎, 田中清尚, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [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 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] レーザー角度分解光電子分光による Ce モノプニクタイドの多体相互作用の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 黒川輝風, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chun Lin, Masayuki Ochi, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Masahito Sakoda, Atsushi Nomura, Masakatsu Tsubota, Peng Zhang, Cedric Bareille, Kifu Kurokawa, Yosuke Arai, Kaishu Kawaguchi, Hiroaki Tanaka, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Shik Shin, Ryotaro Arita, Satoshi Tanda, Takeshi Kondo
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • 著者名/発表者名: Peng Zhang, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Chun Lin, Kaishu Kawaguchi, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Mikk Lippmaa, Simin Nie, Hongming Weng, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, Qiang Li, G.D. Gu, Shik Shin, Takeshi Kondo
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] Incoherent to coherent crossover inside the all-in_all-out antiferromagnetic state of the 5d pyrochlore Cd2Os2O7 (2021)
  • 著者名/発表者名: C_dric Bareille, Mitsuhiro Nakayama, Hishiro Hirose, Yusuke NomuraA, Kifu Kurokawa, Kenta Kuroda, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Timur Kim, Cephise Cacho, Shik Shin, Hiroshi Shinaoka, Zenji Hiroi, Takeshi Kondo
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会(2021年)
• [学会発表] 鉄系超伝導体の表面で創発するトポロジカル超伝導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: つくば-柏-本郷 超伝導かけはしプロジェクト（4）「超伝導物質、トポロジカル物質」
  • 招待講演
• [学会発表] カゴメ格子積層結晶Fe3Sn2の3次元電子状態：角度分解光電子分光による直接観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 藤澤唯太, Barnaby Smith, 黒田健太, 野口亮, 櫻木俊輔, C_dric Bareille, Cephise Cacho, Sungwon JungB, 室隆桂之, 岡田佳憲, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] マイクロ波インピーダンス顕微鏡およびARPESで調べる擬一次元Bi4Br4の高次トポロジカルエッジ状態( (2020)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 小林賢, 黒田健太, 高橋敬成, Z. JiangC, Z. XuC, D. Lee, 平山元昭, 越智正之, 白澤徹郎, ZhangA, C. LinA, C. Bareille, 櫻木俊輔, 國定聡, 黒川輝風, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, T. KimH, C. Cacho, 辛埴, 有田亮太郎D, I, K. Lai, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 『悪魔の階段』を示す反強磁性体CeSbにおけるvibronicモードの対称性決定：ARPESおよびラマン分光 (2020)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 櫻木俊輔, Z.H. Tin, W. Zhang, C, 岩佐和晃, 芳賀芳範, 鈴木博之, 北澤英明, 辛埴, 宮坂茂樹, 田島節子, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [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2020年秋季大会
• [学会発表] レーザー角度分解光電子分光で解明する綺麗なCuO2面におけるモット絶縁体近傍の電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴巳, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Various topological states of quasi-one-dimensional bismuth halides revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: OPTICS & PHOTONICS International Congress 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 角度分解光電子分光で解明する擬一次元ビスマスハライドの多様なトポロジカル電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 第18回 京都大学 物性科学センター講演会・研究交流会
  • 招待講演
• [学会発表] CeSbのレーザーARPESスペクトルにおけるキンク構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 櫻木俊輔, 国定聡, 岩佐和晃, 芳賀芳範, 鄭子豪, 宮坂茂樹, 田島節子, 北澤英明, 辛埴, 鈴木博之, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] 極性ワイル半金属MoTe2における表面状態のスピン偏極 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中佑磨, Mohammad Saeed Bahramy, 高橋英史, 坂野昌人, 黒田健太, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 近藤猛, 辛埴, 石渡晋太郎, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] CeSbの「悪魔の階段」における磁気ドメインの直接観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 櫻木俊輔, 木下雄斗, 芳賀芳範, 北澤英明, 辛埴, 徳永将史, 鈴木博之, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] バルク層状磁性体に生じる非従来型異方的超伝導 (2019)
  • 著者名/発表者名: 櫻木俊輔, 佐々木秀, 明石遼介, 坂上良介, 黒田健太, C. Bareille, 橋本嵩広, 長島椿, 木下雄斗, 平田靖透, 下澤雅明, 浅井晋一郎, 土居抄太郎, 辻本直人, 國定聡, 野口亮, 黒川輝風, 東伸彦, 平田昂輝, T. K. Kim, C. Cacho, 益田隆嗣, 徳永将史, 和達大樹E, 岡_浩三, 辛埴, 神原陽一, 山下穣, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] CuO2面の枚数に依存した多層型銅酸化物超伝導体の電子状態：レーザーARPESとdHvA効果による研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴巳, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] 空間反転対称性の破れた反強磁性体BaMnSb2の特異なディラック電子状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井英明, 藤村飛雄吾, 櫻木俊輔, 越智正之, 小島達弘, 徳永将史, 室隆桂之, 黒田健太, 近藤猛, 黒木和彦, 橋爪大輔, 木田孝, 萩原政幸, 近藤雅起, 村川寛, 花咲徳亮
  • 学会等名: 日本物理学会「秋季大会」（岐阜大）
• [学会発表] Electronic structure of multilayered high-Tc copper oxide superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Spectroscopies in Novel Superconductors 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic structure of multilayered high-Tc copper oxide superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Superstripes 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of weak topological insulator state in quasi- one-dimensional bismuth iodide (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レーザーARPESで解明する多層系高温超伝導体の電子構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 最先端光電子分光で拓く量子物質科学研究に関するワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] レーザー光電子分光によるトポロジカル物性の開拓 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 次世代放射光ナノ光電子分光ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] レーザーARPESで解明する多層系銅酸化物高温超伝導体におけるモット絶縁体近傍の電子状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 基研研究会「電子相関が生み出す超伝導現象の未解決問題と新しい潮流」
  • 招待講演
• [学会発表] Electronic Structure of Multilayered Cuprates Revealed by Laser-ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Physical Review Workshop on New Frontiers of Superconductivity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Switchable weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 14th ASIA-PACIFIC PHYSICS CONFERENCE (APPC14)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノARPESで解明する擬一次元ヨウ化ビスマスの弱いトポロジカル絶縁体状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 第3回 CSRN-Tokyo Workshop 2019 東京大学スピントロニクス学術連携研究教育センター(CSRN)主催 ワークショップスピントロニクス新機能物質と巨大物性応答
  • 招待講演
• [学会発表] Exotic electronic properties revealed in a clean CuO2 sheet of multilayered high-Tc superconductor (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: the 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multilayered high-Tc copper oxide superconductors studied by laser angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Max Planck-UBC-UTokyo Centre for Quantum Materials 2019 Workshop
  • 国際学会 / 招待講演