２次元電子スピン検出器の開発と強磁性トポロジカル物質の研究

• 研究課題/領域番号: 19H01845
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 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: 東北大学
• 研究代表者: 相馬 清吾 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (20431489)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / 磁性薄膜 / 希薄磁性半導体 / ワイル半金族 / ワイル半金属 / 反強磁性体 / 高電子分光

研究開始時の研究の概要

２次元電子スピン検出器を開発し、スピン分解角度分解光電子分光装置の精度を劇的に向上させることで、これまで解明が進んでこなかった強磁性トポロジカル絶縁体の電子構造を確立する。電子とスピンの構造を直接観測することで、強磁性発現のメカニズムと、ディラック電子と強磁性秩序の関わりを明らかにする。これにより、トポロジーと強磁性が融合した様々なトポロジカル量子物質相の探索と物性機構の解明を行う。

研究成果の概要

強磁性トポロジカル絶縁体(CrxSb1-x)2Te3について高分解能ARPESによりフェルミ面の明確なCrドープ依存性を見出し、状態密度を見積もった結果、強磁性機構の主要因はRKKY機構であると結論した。さらに、表面ディラック電子状態についてキュリー温度の前後の明確な変化を観測し、その変化はEFより上で100 meV程度の大きな磁性ギャップによるものと結論した。また、NdBiにおいて、磁気ドメイン分割したARPES実験に成功し、反強磁性相の表面ディラック電子状態がドメインに依存してギャップを形成する様子を観測し、この物質が反強磁性トポロジカル絶縁体であること実験的に確立した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、論争のあったトポロジカル絶縁体の強磁性機構について、電子構造の見地から明確な答えが得られた。今後、より高いTcをもつ強磁性トポロジカル絶縁体を理論設計する上で、本研究の知見は重要な指針となる。また、磁性転移と明確に連動するディラック電子状態は理論的には期待されていたことではあるが、実際にそのような物質は少なく、ディラック電子と磁性の関わりについて実験的混乱があったが、本研究の成果により理論の妥当性も証明された。これにより、磁性トポロジカル物質の研究と高機能物質探索が進み、省エネルギー技術や量子技術に貢献するような材料開発につながると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] ケルン大学/マックスプランク研究所(ドイツ)
• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究] ケルン大学/マックスプランク研究所/BESSY放射光施設(ドイツ)
• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究] SOLEIL放射光施設(フランス)
• [国際共同研究] NSRRC(その他の国・地域(台湾))
• [国際共同研究] ケルン大学/マックスプランク研究所/BESSY放射光施設(ドイツ)
• [国際共同研究] diamond light source(英国)
• [国際共同研究] SOLEIL放射光施設(フランス)
• [国際共同研究] NSRRC(その他の国・地域（台湾）)
• [雑誌論文] Development of a versatile micro-focused ARPES system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, T. Sato, K. Horiba
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 3 ページ: 033906-033906
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rhombic Fermi surfaces in a ferromagnetic MnGa thin film with perpendicular magnetic anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi M.、Khang N. H. D.、Takeda T.、Araki K.、Okano R.、Suzuki M.、Kuroda K.、Yaji K.、Sugawara K.、Souma S.、Nakayama K.、Yamauchi K.、Kitamura M.、Horiba K.、Fujimori A.、Sato T.、Shin S.、Tanaka M.、Hai P. N.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 6 号: 7 ページ: 0774403-0774403
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.074403
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic States of Multilayer VTe2: Quasi-One-Dimensional Fermi Surface and Implications to Charge-Density Wave (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Kawakami, K. Sugawara, T. Kato, T. Taguchi. S. Souma, T. Takahashi, and T. Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.045136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling quasiparticle dynamics of topological insulators through Bayesian modelling (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Tokuda, S. Souma, K. Segawa, T. Takahashi, Y. Ando, T. Nakanishi, T. Sato
  • 雑誌名: Commun. Phys. 巻: 4 号: 1 ページ: 170-170
  • DOI: 10.1038/s42005-021-00673-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Large magnetoresistance of a compensated metal Cu2Sb correlated with its Fermi surface topology (2021)
  • 著者名/発表者名: Endo Mizuki、Kawasoko Hideyuki、Soma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Kimura Noriaki、Oguchi Tamio、Sato Takafumi、Fukumura Tomoteru
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.105002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac Semimetal Phase and Topological Phase Transition in XMg2Bi2 (X = Ba and Sr) (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi Takane, Yuya Kubota, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kunihiko Yamauchi, Seigo Souma, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 11 号: 1 ページ: 21937-21937
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01333-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Manipulation of Dirac Cone in Topological Insulator/Topological Insulator Heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato Takumi、Sugawara Katsuaki、Kato Takemi、Nakata Yuki、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 号: 3 ページ: 1080-1085
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00918
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signature of band inversion in the antiferromagnetic phase of axion insulator candidate EuIn2As2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Takafumi、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Cui Chaoxi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Kubota Yuya、Cacho Cephise、Kim Timur K.、Arab Arian、Strocov Vladimir N.、Yao Yugui、Takahashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033342
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual temperature evolution of the band structure of Bi(111) studied by angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Takafumi、Yamada Keiko、Kosaka Takao、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Sugawara Katsuaki、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 8 ページ: 085112-085112
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.085112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of inverted band structure in the topological Dirac semimetal candidate CaAuAs (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Kubota Yuya、Nakata Yuki、Cacho Cephise、Kim Timur、Ekahana Sandy Adhitia、Shi Ming、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 4 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.041104
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-dimensional growth of conductive ultra-thin Sn films on insulating substrate with an Fe buffer layer (2020)
  • 著者名/発表者名: Zheng Dingheng、Shiogai Junichi、Inoue Hisashi、Souma Seigo、Sato Takafumi、Tsukazaki Atsushi
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 8 号: 6 ページ: 061103-061103
  • DOI: 10.1063/5.0009012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic-field-induced topological phase transition in Fe-doped (Bi,Sb)2Se3 heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Satake Y.、Shiogai J.、Mazur G. P.、Kimura S.、Awaji S.、Fujiwara K.、Nojima T.、Nomura K.、Souma S.、Sato T.、Dietl T.、Tsukazaki A.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 号: 4 ページ: 0442021-8
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.044202
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by topological proximity effect (2020)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13946-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanomosaic of Topological Dirac States on the Surface of Pb5Bi24Se41 Observed by Nano-ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 19 号: 6 ページ: 3737-3742
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00875
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dimensionality reduction and band quantization induced by potassium intercalation in 1T-HfTe2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakata Y.、Sugawara K.、Chainani A.、Yamauchi K.、Nakayama K.、Souma S.、Chuang P.-Y.、Cheng C.-M.、Oguchi T.、Ueno K.、Takahashi T.、Sato T.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 7 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.071001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual change in the Dirac-cone energy band upon a two-step magnetic transition in CeBi (2019)
  • 著者名/発表者名: Oinuma Hikaru、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Yoshida Makoto、Ochiai Akira、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 12 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.125122
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeXc (Xc=S, Se, Te) (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 24 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.245105
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Monolayer VTe2: Incommensurate Fermi surface nesting and suppression of charge density waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Sugawara Katsuaki、Nakata Yuki、Fujii Kazuki、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 24 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.241404
  • 査読あり
• [学会発表] 反強磁性トポロジカル絶縁体における電子構造の磁気ドメイン分割観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 相馬 清吾
  • 学会等名: 東北大学電気通信研究所 共同プロジェクト研究会「固体中のスピン・軌道ダイナミクスとその制御 」
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロAPRESによる反強磁性トポロジカル物質のドメイン分割観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 相馬 清吾
  • 学会等名: 「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Spin-RNJ）」シンポジウム, Spin-RNJ 2021年度報告会
• [学会発表] マイクロARPESによるトポロジカル物質の局所電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾、本間飛鳥、北村未歩、堀場弘司、川上竜平、渡辺夏芽、中山耕輔、菅原克明、高橋 隆、組頭広志、佐藤宇史
  • 学会等名: 第35回 日本放射光学会年会・放射光科学 合同シンポジウム
• [学会発表] マイクロARPESによるトポロジカル半金属NdBiの反強磁性ドメイン電子状態の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本間飛鳥、高根大地、相馬清吾、Y. Wang、中山耕輔、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、T. Kim、C. CachoH、安藤陽一、佐藤宇史
  • 学会等名: 第35回 日本放射光学会年会・放射光科学 合同シンポジウム
• [学会発表] Micro AREPS study of antiferromagnetic topological metal NdBi (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Souma, A. Honma，D. Takane, Y. Wang，K. Nakayama，M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Kim，C. Cacho, Yoichi Ando, and T. Sato
  • 学会等名: The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and the 4th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
• [学会発表] 反強磁性トポロジカル半金属NdBiのマイクロARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 本間飛鳥、高根大地、相馬清吾、Y. Wang、中山耕輔、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、T. Kim、C. CachoH、安藤陽一、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 3層系ルテニウム酸化物Sr4Ru3O10のマイクロARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡辺夏芽、相馬清吾、中山耕輔、J. Ribeiro、Y. Wang、高橋隆、Z. Mao、Y. P. Chen、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] μ-ARPES study of ferromagnetic layered oxide Sr4Ru3O10 (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Souma、N. Watanabe、K. Nakayama、J. Ribeiro、Y. Wang,、T. Takahashi、Z. Mao、Y. P. Chen、 and T. Sato
  • 学会等名: The 4th Symposium for The Core Research Clusters for Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 強磁性層状酸化物Sr4Ru3O10の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺夏芽、 相馬清吾、 中山耕輔、 J. Ribeiro、 Y. Wang、 高橋隆、 Z. Mao、 Y. P. Chen、 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] 反強磁性ハーフホイスラーGdPtBiの電子状態観測: 高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 高根大地、 鈴木健士、 相馬清吾、 山内邦彦、 中山耕輔、 堀健太郎、 C. X. Trang、 Emile D. L. Rienks、 北村未歩、 C. Cacho、 T. Kim、 堀場弘司、 組頭広志、 小口多美夫、 高橋 隆、 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] PF BL-28におけるマイクロARPESシステムの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩、相馬清吾、若林大佑、田中宏和、豊島章雄、雨宮健太、本間飛鳥、川上竜平、菅原克明、中山耕輔、佐藤宇史、組頭広志、堀場弘司
  • 学会等名: 2020年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] BL28におけるトポロジカル物質のμ-ARPESマッピング (2020)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾、 本間飛鳥、 北村未歩、 堀場弘司、 川上竜平、 渡辺夏芽、 中山耕輔、 菅原克明、 高橋隆、 組頭広志、 佐藤宇史
  • 学会等名: 2020年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] マイクロARPESによるトポロジカル物質の局所電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾、 本間飛鳥、 北村未歩、 堀場弘司、 川上竜平、 渡辺夏芽、 中山耕輔、 菅原克明、 高橋隆、 組頭広志、 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 高分解能ARPESによる強磁性酸化物Sr4Ru3O10のバンド構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺夏芽、 相馬清吾、 中山耕輔、 J. Ribeiro、 Y. Wang、 高橋隆、 Z. Mao、 Y. P. Chen、 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] ディラック半金属候補物質BaMg2Bi2の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 高根大地、 久保田雄也、 川上竜平、 加藤剛臣、 坪野竜治、 菅原克明、 中山耕輔、 相馬清吾、出田真一郎、 田中清尚、 北村未歩、 堀場弘司、 組頭広志、 高橋隆、 瀬川耕司、 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] ΘT1/2対称性に保護されたトポロジカル表面電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 相馬 清吾
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] ファンデルワールス強磁性体Cr2Ge2Te6の強磁性転移：高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤剛臣, 伊東直洋, 川上竜平, 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
  • 学会等名: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [学会発表] ARPESによるハーフホイスラーGdPtBiのバルク/表面電子構造の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高根大地, 鈴木健士, 相馬清吾, 山内邦彦, 中山耕輔, 堀健太郎, C. X. Trang, Emile D. L. Rienks, 北村未歩, C. Cacho, T. Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋隆, J. G. Checkelsky, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第７５回年次大会
• [学会発表] New topological phases protected by ΘT symmetry (2019)
  • 著者名/発表者名: Seigo Souma
  • 学会等名: AIMR Workshop "Quantum Materials and Spintronics - spin, topology and superconductivity"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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:ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾
  • 学会等名: 第11回トポロジー連携研究会 「トポロジカル半金属」
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾
  • 学会等名: 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」
  • 招待講演
• [学会発表] A topological perspective to electronic structure in metallic borides verified by angle-resolved photoelectron spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Seigo Souma
  • 学会等名: 20th International Symposium on Boron, Borides and Related Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] VX2(X= Se,Te)原子層薄膜のCDW転移：高分解能ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 菅原克明, 中田優樹, 藤井和樹, 中山耕輔, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] 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ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体(CrxSb1-x)2Te3の強磁性機構：高分解能ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀健太郎, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 松倉文礼, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] トポロジカルヘテロ接合Pb/Bi/TlBiSe2の高分解能ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 徳田悟, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史, 中西毅
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会