波数分解光電子分光による真のバルク強スピン軌道結合電子構造と異常物性の相関解明

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05186
• 研究機関: 甲南大学
• 研究代表者: 山崎 篤志 甲南大学, 理工学部, 教授 (50397775)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 電子構造 / 光電子分光 / イリジウム / 酸化物 / 角度分解 / スピン軌道

研究実績の概要

本研究では，擬2次元から3次元の結晶構造を有するペロブスカイト型イリジウム酸化物群に対して，軟X線励起光電子分光によりバルク3次元分散構造を直接観測し，未だ十分に理解されていない，次元性の変化に伴って発現する種々の異常物性と強スピン軌道結合電子構造との相関を明らかにすることを目的としている．
平成28年度には，パルスレーザー成膜法により作製したペロブスカイト型イリジウム酸化物SrIrO3の軟X線励起角度分解光電子分光を行い，バルク3 次元電子構造を明らかにすることに成功した．これにより，Ruddlesden-Popper系列イリジウム酸化物であるSr2IrO4，Sr3Ir2O7，SrIrO3のバルク3次元電子構造が明らかになり，擬2次元から3次元に結晶構造が変化する際の，Ir5d jeff=1/2バンドを占める電子の振る舞いを議論できるようになった．基底状態が絶縁体であるSr2IrO4やSr3Ir2O7から金属であるSrIrO3へと変化するに伴い，Ir 5d jeff=1/2バンドがフェルミ準位を横切る様子を直接観測することに成功した．また，SrIrO3では，IrO6八面体が結晶軸から傾くことでjeff=3/2と1/2バンドが強く混成すると言われていたが，フェルミ準位を横切るバンドはjeff=1/2のキャラクターが強く残っていることが実験と計算の両面から確かめられた．これはSrIrO3の基底状態が遍歴的なJeff=1/2状態であることを示しており，新しい知見である．
これらの結果と平成27年度のSr2IrO4及びSr3Ir2O7の角度分解光電子分光実験から得られた知見を合わせて，論文誌に投稿し，掲載された．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初予定していたSrIrO3の角度分解光電子分光実験を実施し，3次元電子構造や分散関係など詳細な電子構造を議論するために必要なデータを取ることに成功している．また，実験データの解析も順調に進んでおり，理論計算と比較するなどの方法によって詳細な電子構造に関する知見が得られている．これらについては，既に論文にまとめ，有名学術誌に掲載されている．また，上記以外の実験についてもほぼ計画通りに進んでいる．

今後の研究の推進方策

研究調書の内容に沿って，種々のRuddlesden-Popper系列イリジウム酸化物におけるIr4f内殼電子構造に関する計算を行い，実験スペクトルと比較を行うことで，次元性の変化に伴う電子相関パラメータなど，内殼光電子分光から得られる特有の知見について議論を行う予定である．また，キャリアドープによる電子構造の変化に関する知見や第一原理計算を活用してIr5d電子状態を包括的に議論する．

次年度使用額が生じた理由

昨年度の消耗品購入時期が予定よりもずれ込んだため．

次年度使用額の使用計画

今年度に，予定していた消耗品を購入する予定である．

研究成果

• [国際共同研究] University of Wuerzburg(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Wuerzburg
• [雑誌論文] Three-dimensional electronic structures and the metal-insulator transition in Ruddlesden-Popper iridates (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yamasaki, H. Fujiwara, S. Tachibana, D. Iwasaki, Y. Higashino, C. Yoshimi, K. Nakagawa, Y. Nakatani, K. Yamagami, H. Aratani, O. Kirilmaz, M. Sing, R. Claessen, H. Watanabe, T. Shirakawa, S. Yunoki, A. Naitoh, K. Takase, J. Matsuno, H. Takagi, A. Sekiyama, and Y. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 115103 1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.115103
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 軟X線角度分解光電子分光から見たRuddlesden-Popper型 イリジウム酸化物の金属絶縁体転移 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山崎 篤志
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Three-dimensional electronic structures and metal-insulator transition in Srn+1IrnO3n+1 studied by SX-ARPES (2016)
  • 著者名/発表者名: 山崎 篤志
  • 学会等名: VUVX2016
  • 発表場所: スイス連邦工科大学（チューリヒ）
  • 年月日: 2016-07-03 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [備考] YAMA-ROOM/ 研究業績
  • URL: http://www.phys.konan-u.ac.jp/~yamasaki/papers.html
• [備考] 甲南大学 研究者詳細
  • URL: http://researchers.adm.konan-u.ac.jp/html/102_ja.html