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電子状態解析に基づくトポロジカル物質相の探索

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 18H04472
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関東北大学

研究代表者

相馬 清吾  東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2019年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワードワイル半金属 / ディラック半金属 / スピン分解光電子分光 / ワイル半金属絶縁体 / トポロジカル絶縁体 / 光電子分光 / スピン分解ARPES / 線ノード半金属 / ARPES
研究実績の概要

ARPES実験の更なる高精度・高効率化、また将来のpump-probe実験のための準備として、準CWレーザー光源の立ち上げとAREPS装置への導入を行なった。ARPES装置の電子フォーカス点の許容誤差は励起光のスポットがスリットと同程度以下(典型的には0.2 mm)となると大変厳しくなることから、測定時の試料の3次元座標を厳密に保つために、試料のモニタリングシステムを導入し試料位置制御の高精度化した。さらに、レーザー出力と試料上のスポットの高安定化のために、共鳴成分の監視システム、光学調整機構の可視化・自動化、湿度対策、清浄化対策、振動対策などを行い、装置全体の性能を向上させた。以上の結果、微小試料においてARPESバンド測定の空間依存性などの実験に成功することができた。
これら装置開発と並行して、トポロジカル半金属や関連物質について、高分解能ARPES実験を行った。線ノード型のトポロジカル半金属の表面バンドについて確立する目的で、結晶構造にグライド対称性をもつZrGeXc(Xc=S,Se,Te)において軟X線AREPS実験を行い、3次元バルク線ノード構造の観測に成功した。さらに高分解能ARPES実験の結果、全ての物質において共通して表面Dirac-node-arc電子バンドを観測した。以上の結果から、この表面状態が結晶のもつグライド対称性に起因したトポロジカルな電子状態であるとの示唆を得た。また、超伝導秩序と表面ディラック電子状態の関わりを調べるために、3次元トポロジカル絶縁体TlBiSe2の上に超伝導Pb薄膜を成長させ高分解能ARPES実験を行なった結果、Pbの量子化井戸準位がTlBIiSe2の表面バンドと混成し、さらに超伝導相において超伝導ギャップを形成することを見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (40件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 8件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 7件、 招待講演 12件) 図書 (2件)

  • [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)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] diamond light source(英国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] SOLEIL放射光施設(フランス)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] NSRRC(その他の国・地域(台湾))

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] ケルン大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by topological proximity effect2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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-ARPES2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 CeBi2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Observation of Chiral Fermions with a Large Topological Charge and Associated Fermi-Arc Surface States in CoSi2019

    • 著者名/発表者名
      Takane Daichi、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Nakamura Takechika、Oinuma Hikaru、Nakata Yuki、Iwasawa Hideaki、Cacho Cephise、Kim Timur、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 122 号: 7 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.076402

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Observation of a Dirac nodal line in AlB22018

    • 著者名/発表者名
      Takane Daichi、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Nakamura Takechika、Oinuma Hikaru、Hori Kentaro、Horiba Kouji、Kumigashira Hiroshi、Kimura Noriaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 98 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.041105

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observation of Dirac-like energy band and unusual spectral line shape in quasi-one-dimensional superconductor Tl2Mo6Se62018

    • 著者名/発表者名
      Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Trang Chi Xuan、Souma Seigo、Rienks Emile D. L.、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 98 号: 14

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.140502

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrathin Bismuth Film on High-Temperature Cuprate Superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ as a Candidate of a Topological Superconductor2018

    • 著者名/発表者名
      Shimamura Natsumi、Sugawara Katsuaki、Sucharitakul Sukrit、Souma Seigo、Iwaya Katsuya、Nakayama Kosuke、Trang Chi Xuan、Yamauchi Kunihiko、Oguchi Tamio、Kudo Kazutaka、Noji Takashi、Koike Yoji、Takahashi Takashi、Hanaguri Tetsuo、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 12 号: 11 ページ: 10977-10983

    • DOI

      10.1021/acsnano.8b04869

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Observation of band crossings protected by nonsymmorphic symmetry in the layered ternary telluride Ta3SiTe62018

    • 著者名/発表者名
      Sato Takafumi、Wang Zhiwei、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takane Daichi、Nakata Yuki、Iwasawa Hideaki、Cacho Cephise、Kim Timur、Takahashi Takashi、Ando Yoichi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 98 号: 12 ページ: 1211111-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.121111

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrathin Bismuth Film on 1T-TaS2: Structural Transition and Charge-Density-Wave Proximity Effect2018

    • 著者名/発表者名
      Yamada Keiko、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Shimamura Natsumi、Sugawara Katsuaki、Trang Chi Xuan、Oguchi Tamio、Ueno Keiji、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 18 号: 5 ページ: 3235-3240

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.8b01003

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [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」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] New topological phases protected by ΘT symmetry2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      AIMR Workshop "Quantum Materials and Spintronics - spin, topology and superconductivity"
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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:ARPES2019

    • 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」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] A topological perspective to electronic structure in metallic borides verified by angle-resolved photoelectron spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      20th International Symposium on Boron, Borides and Related Materials Boron, Borides and Related Materials,
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [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ARPES2019

    • 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
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] トポロジカルヘテロ接合Pb/Bi/TlBiSe2の高分解能ARPES2019

    • 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
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 電子状態解析に基づくトポロジカル物質相の探索2019

    • 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」研究成果発表会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 磁性転移による表面ディラックコーン電子状態のバンド変調:高分解能ARPES2019

    • 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拠点 (SpiN-RNJ) 2019年度 年次報告会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] ARPES Observation of Various Types of New Topological Semimetals2019

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      TMS第4回領域研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ARPES observation of nodal fermions in topological semimetals2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      2nd Tohoku/SG-SPIN workshop in spintronics
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct observation of nodal fermions in topological semimetals2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] トポロジカル半金属CoSiにおけるカイラルフェルミオンのARPES観測2019

    • 著者名/発表者名
      高根大地
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Three dimensional topological semimetals2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      One-day Symposium on Spintronic Properties of Graphene and Related 2D Materials
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノARPESの現状と次世代放射光での展開2018

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      第5回放射光連携研究ワークショップ「先端計測とインフォマティクスによる可視化物質科学の発展」
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Topological superconductivity and unexpected surface states in nodal line semimetals2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      MAJORANA FERMIONS AND TOPOLOGICAL MATERIALS SCIENCE
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 電子状態解析に基づくトポロジカル物質相の探索2018

    • 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」公募班 A01ミーティング
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] トポロジカル半金属における電子構造の直接観測2018

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会 領域5,4,8,9 合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ARPES study of superconducting Pb thin film on topological insulator2018

    • 著者名/発表者名
      Trang Xuan Chi
    • 学会等名
      MAJORANA FERMIONS AND TOPOLOGICAL MATERIALS SCIENCE
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] トポロジカル線ノード半金属ZrGeSeの軟X線ARPES2018

    • 著者名/発表者名
      中村剛慶
    • 学会等名
      日本物理学会2018秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AlB2におけるディラック線ノードの観測:軟X線ARPES2018

    • 著者名/発表者名
      高根大地
    • 学会等名
      日本物理学会2018秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 高分解能ARPESによるTa3SiTe6の線ノードの直接観測2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [図書] 放射光利用の手引き2019

    • 著者名/発表者名
      東北放射光施設推進会議推進室
    • 総ページ数
      344
    • 出版者
      アグネ技術センター
    • ISBN
      9784901496957
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [図書] X線光電子分光法2018

    • 著者名/発表者名
      高桑 雄二
    • 総ページ数
      368
    • 出版者
      講談社サイエンティフィク
    • ISBN
      9784065140475
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2022-08-19  

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