超高分解能レーザー角度分解光電子分光で選別観察する高温超伝導体の多様な秩序状態

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06013
• 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 角度分解光電子分光 / レーザー / 高温超伝導体

研究実績の概要

高温超伝導の発現機構解明は、その発見から約30年が経った今でも物性物理学の最も挑戦的な課題の一つである。近年、銅酸化物の擬ギャップ相において電荷秩序がX線散乱実験により示され、走査型トンネル顕微鏡実験からも対応する電子状態が確認された。鉄系物質の擬ギャップに関しては、ネマティックな電子状態との関係が活発に議論されている。高温超伝導体における電子対の形成と、多様な秩序状態との相互関係は、現在最もホットなトピックの一つである。本研究では、超高分解能を実現するレーザー励起角度分解光電子分光を駆使した精密観察から、銅酸化物及び鉄系物質が示す高温超伝導の発現機構を研究する。BZ全域での測定を可能とするレーザーを導入し、超伝導と多様な秩序状態との関係や、BZの中心と境界に形成されるフェルミポケット同士の相互関係を、超高分解能測定で解明する。これまでに我々は、バンド構造の自動マッピングはもちろんのこと、これまでARPESでは困難とされた温度スキャンをも全自動で測定可能なシステムを構築し、ヒートスイッチでクライオスタットと孤立させた試料ホルダーを局所加熱で温度制御することで、マニピュレータの熱膨張による試料位置の温度変化を防ぎ、試料表面へのレーザー照射位置を温度によらず固定しながら精密に温度スキャンすることを可能にした。精密温度スキャンで解明した銅酸化物の特徴は驚くべきもので、一粒子スペクトルのEFでの強度が、Tc以下の低温から昇温と共に増加し、ギャップが閉じる更なる高温(Tpair>Tc)までfillingし続けることが分かった。この振る舞いはBCS理論では想定されない電子対破壊散乱(pair-breaking rate)の温度発達として解釈でき、Tcが電子対ギャップの形成温度(Tpair)より低温へと抑制される銅酸化物の特性だと言える。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

d波超伝導体である銅酸化物高温超伝導体の研究では、ギャップが最大となるアンチノード近傍でのギャップ構造とその特性に関しては多くの報告例があり、その理解も進展してきた。一方、ギャップが微細となるノード近傍の研究は、装置の分解能の制約からその理解が遅れてきた。我々はこれまで、銅酸化物高温超伝導体の電子物性を解明する上での鍵を握る擬ギャップとそれに伴うフェルミアークの起源を見いだす大きな進展を得ている。特に微細な温度変化測定を可能とする測定ステージ周りの改良と、その機能性を最大限活かすソフトウェア開発を成し遂げ、従来の角度分解光電子分光とは比較にならないほどの、スペクトル温度スキャンを可能とした。本プロジェクトで期待される高温超伝導体の多様な秩序状態の選択的測定に於いて必要な実験手法を確立するため、さらにレーザーの特徴である偏光依存性を自由自在に制御する測定システムを今後開発インストールすることで、当初掲げる研究計画の到達が期待される。超高分解能を実現するレーザー励起型のARPES 装置を活用する本研究最大の特徴に基づいた研究が順調に進んでおり、期待通りの成果が得られているものと評価できるため、「当初の計画以上に進展している」を選択した。

今後の研究の推進方策

レーザーARPESの光源として、非線形結晶KBBFを１つ使用した6倍波7eVレーザーがこれまでの主流であった。KBBFを2個使用した7倍波8eVレーザーも生成可能では有るが、KBBFが持つバンドギャップに近い8eVは光学吸収端に位置しており、透過率は<0.1%と極めて低く、高精度のARPES測定に耐えうる十分な強度と安定性が得られていない。しかも、7~8eVレーザーが抱える最大の欠点は、BZ全体を測定できない点にある。Xeガス共鳴励起を採用することで、ほぼ全ての物質でBZ全域を測定でき、レーザーARPESの特徴である超高分解能を兼ね備えるテーブルトップ11eVレーザー光源を調整中であり、今後高温超伝導研究の進展に活かす計画である。レーザーARPESで超高分解能を実現するには、光電子同士のクーロン反発に起因する光電子運動エネルギーの不確定なシフトと分解能の低下(スペースチャージ効果)を防ぐ要請から、レーザーのパルス強度を抑制する必要がある。一方で、精密な物性評価に耐えうるsignal/noise比の大きなARPESスペクトルを収集するためには、十分な光強度が求められる。そこで、弱いパルス強度で光強度を稼ぐ高繰り返しな準CWレーザーを導入する必要がある。本計画では、高繰り返しかつ大強度なファイバーレーザーを利用し、従来型7eVレーザー(120MHz)と遜色無い50MHzの準CW超高分解能11eVレーザーを利用する。我々は、銅酸化物研究を通して築いた精密測定のノウハウを従来型非従来型を問わず様々な超伝導体に応用し、BCS理論では想定されていない電子対破壊散乱と、それがもたらす電子対の寿命について系統的な研究を行う計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, K. Yaji, K. Kobayashi, M. Sakano, A. Harasawa, T. Kondo, F. Komori, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 041111(R) (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.041111
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orbital-Dependent Band Narrowing Revealed in an Extremely Correlated Hund’s Metal Emerging on the Topmost Layer of Sr2RuO4 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, M. Ochi, M. Nakayama, H. Taniguchi, S. Akebi, K. Kuroda, M. Arita, S. Sakai, H. Namatame, M. Taniguchi, Y. Maeno, R. Arita, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 247001(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.247001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Slater to Mott Crossover in the Metal to Insulator Transition of Nd2Ir2O7 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakayama, T. Kondo, Z. Tian, J. J. Ishikawa, M. Halim, C. Bareille, W. Malaeb, K. Kuroda, T. Tomita, S. Ideta, K. Tanaka, M. Matsunami, S. Kimura, N. Inami, K. Ono, H. Kumigashira, L. Balents, S. Nakatsuji, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 056403(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.056403
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coherent control over three-dimensional spin polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3 (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kuroda, K. Yaji, M. Nakayama, A. Harasawa, Y. Ishida, S. Watanabe, C.-T. Chen, T. Kondo, F. Komori, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 165162(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.165162
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 角度分解光電子分光による精密測定で解き明かす銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップと超伝導ギャップの 競合関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤 猛, 竹内 恒博, 辛 埴
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 51 ページ: 203-221
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin Polarization and Texture of the Fermi Arcs in the Weyl Fermion Semimetal TaAs (2016)
  • 著者名/発表者名: S-Y Xu, I. Belopolski, D. S. Sanchez, M. Neupane, G. Chang, K. Yaji, Z. Yuan, C. Zhang, K. Kuroda, G. Bian, C. Guo, H. Lu, T-R. Chang, N. Alidoust, H. Zheng, C-C. Lee, S-M. Huang, C-H. Hsu, H-T. Jeng, A. Bansil, T. Neupert, F. Komori, T. Kondo, S. Shin, H. Lin, S. Jia, M. Z. Hasan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 ページ: 096801(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.096801
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] ARPESで見た擬ギャップ (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] 構造・トポロジカル相転移および3軸異方性をもつBi4I4：角度分解光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 黒田健太, 高橋敬成, 中山充大, 坂野昌人, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 辛埴, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] BaKFe2As2の超伝導状態における反強的電子構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 下志万貴博, Walid Malaeb, 近藤猛, 木方邦宏, 李哲虎, 伊豫彰, 永崎洋, 石田茂之, 中島正道, 内田慎一, 大串研也, 石坂香子, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] Sr2RuO4表面においてRuO6八面体の回転が引き起こす強相関効果：LDA+DMFTによる解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越智正之, 酒井志朗, 近藤猛, 有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] キラルな結晶構造を有するテルル単体のバンド構造の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂野昌人, 平山元昭, 高橋敬成, 明比俊太朗, 中山充大, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 小野寛太, 組頭広志, 三宅隆, 村上修一, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザースピン分解 ARPES を用いたSr2RuO4表面状態のスピン軌道結合の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 明比俊太朗, 黒田健太, 中山充大, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 谷口晴香, 前野悦輝, 小森文夫, 近藤猛, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESにおける光電子のスピン偏極：トポロジカル絶縁体Bi2Se3 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 矢治光一郎, 野口亮, 小林功佳, 原沢あゆみ, 石田行章, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 角度分解光電子分光で観測するCd2Os2O7の電子状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中山充大, 近藤猛, 廣瀬陽代, 黒田健太, Balleile C dric, 坂野昌人, 明比俊太朗, 野口亮, 國定聡, 広井善二, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザーARPESで精密観測するBi2Sr2Ca2Cu3O10+dの超伝導ギャップと擬ギャップ (2017)
  • 著者名/発表者名: 國定聡, 足立伸太郎, 黒田健太, 中山充大, 明比俊太朗, 坂野昌人, 辛埴, 渡辺孝夫, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるBi系銅酸化物超伝導体のTcの評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本英城, 坪井湧基, 近藤猛, 辛埴, 竹内恒博
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] パイロクロア型イリジウム酸化物で直接観測するフェルミノード状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • 発表場所: つくば国際会議 エポカルつくば (茨城県 つくば市)
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-15
  • 招待講演
• [学会発表] パイロクロア型イリジウム酸化物で直接観測するフェルミノード状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」 第2回領域研究会
  • 発表場所: 東北大学片平さくらホール (宮城県 仙台市)
  • 年月日: 2016-12-16 – 2016-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] 角度分解光電子分光で解明するパイロクロア型イリジウム酸化物の強相関電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: UVSORシンポジウム2016
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター (愛知県 東岡崎市)
  • 年月日: 2016-10-29 – 2016-10-30
  • 招待講演
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESを用いたBi2Se3表面状態の光電子スピン偏極と直線二色性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 矢治光一郎, 坂野昌人, 中山充大, 原沢あゆみ, 石田行章, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] 軌道選択レーザースピン分解ARPESで調べるラシュバ表面状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 黒田健太, 矢治光一郎, 坂野昌人, 小林功佳A, 原沢あゆみ, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] 角度分解光電子分光で研究するルテニウム酸化物のコヒーレント-インコヒーレントクロスオーバー (2016)
  • 著者名/発表者名: 中山充大, 近藤猛, 谷口晴香, 吉田良行, 高木英典, 前野悦輝, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESで観察するSr2RuO4の表面電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 明比俊太朗, 近藤猛, 黒田健太, 中山充大, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 谷口晴香, 前野悦輝, 小森文夫, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Bi系銅酸化物高温超伝導体の超伝導ギャップ (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂本英城, 竹内恒博, 近藤猛, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] 高次高調波レーザーを用いたフェムト秒時間分解ARPESによる銅酸化物高温超伝導体Bi2212の準粒子ダイナミクスの直接観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡田大, 岡崎浩三, 鈴木博人, 山本貴士, 染谷隆史, 小川優, 笹川崇男, 近藤猛, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] レーザーARPESを用いて精密観察するBi2Sr2Ca2Cu3O10+dのエネルギーギャップ (2016)
  • 著者名/発表者名: 國定聡, 足立伸太郎, 中山充大, 明比俊太朗, 坂野昌人, 黒田健太, 渡辺孝夫, 辛埴, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス (石川県金沢市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Point nodes persisting far beyond Tc in Bi2212 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: International Conference on Low-Energy Electrodynamics in Solids
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖 (滋賀県 守山市)
  • 年月日: 2016-05-29 – 2016-06-03
  • 国際学会 / 招待講演