超伝導体／ハーフメタル界面を用いたマヨラナフェルミオンの探索

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J03208
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 藤原 弘和 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: ハーフメタル強磁性体 / トポロジカル超伝導体 / スピン角度分解光電子分光

研究実績の概要

１．ハーフメタル強磁性体上CrO2上での超伝導体薄膜作製及び評価
本年度はCrO2上のNb薄膜の成長様式を決定し、薄膜作製装置の改良を行なった。CrO2の表面清浄化を行うために電子衝撃加熱ステージを備えたマニピュレータの建設と動作チェックを行なった。
２．ハーフメタル強磁性体CrO2の熱ゆらぎによるスピン偏極率減少の起源解明
CrO2のエネルギー分解したスピン偏極率の詳細な温度変化測定から、昨年度発見した電子・スピン状態の温度変化について、温度領域を拡大して測定することにより詳細な温度変化を明らかにした。この結果は、ハーフメタル特有の多体相互作用によるものと考えられる。さらに観測されたスピン偏極率の減少の起源を検証するためにバンド構造の観測を行ない、該当する波数空間で期待される電子構造の変化を観測することに成功した。このハーフメタル特有の多体相互作用がハーフメタル物質において普遍的に生じるか否かを検証するために、別のハーフメタル強磁性体候補物質であるCoS2にも拡大して研究を開始した。現在までにCoS2の３次元的なフェルミ面、バンド構造、及びスピン構造を観測することに成功し、電子相関を取り入れていない第一原理計算から予想される電子構造との相違点があることを明らかにした。
３．トポロジカル超伝導体候補物質NbxBi2Se3の電子状態研究
本年度はトポロジカル超伝導体候補物質NbxBi2Se3の共同研究にも参加しARPESによりトポロジカル状態の検証を行った。Nbドープ量を増加させるとx=0.25以上でHc2が急激に大きくなるとともに結晶構造がBiSe構造に変化することを明らかにした。さらに、x=0.25の試料に対する角度分解光電子分光測定によって表面ディラックバンドを観測し、トポロジカルに非自明な状態が維持されていることを明らかにした。

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

１．ハーフメタル強磁性体上CrO2上での超伝導体薄膜作製及び評価
CrO2上のNb薄膜の成長様式が２次元的であると解明した。さらにCrO2の表面清浄化を行うための電子衝撃加熱ステージを備えたマニピュレータを建設し動作チェックを行った。
２．ハーフメタル強磁性体CrO2の熱ゆらぎによるスピン偏極率減少の起源解明
80 K以上の温度でCrO2が示すスピン偏極率の減少について、温度領域を拡大して測定することでそのスピン脱偏極の起源がハーフメタル特有の多体相互作用であることを明確に示すことに成功した。この結果は学術論文にまとめ現在投稿中である。
３．NbxBi2Se3の電子状態を解明し、x=0.25のBiSe構造を持った試料においてトポロジカルに非自明な状態が維持されていることを明らかにした。この結果は国際科学雑誌Physical Review Bから出版された。
以上より当初の計画以上に研究が進展している。

今後の研究の推進方策

１．ハーフメタル強磁性体上CrO2上での超伝導体薄膜作製及び評価
電子衝撃加熱ステージを備えたマニピュレータの動作確認によって見つかった不具合について原因を特定し対処する予定である。さらにCrO2上にNbを島状成長させるためにNbの低温蒸着や、Ptバッファー層の導入を行う予定である。
２．CrO2の電子状態の温度変化を高分解能角度分解光電子分光によって調べる。実験は放射光施設Photon Factoryで行い、３次元的なフェルミ面及びバンド構造の温度変化を詳細に決定することでハーフメタル特有の多体相互作用による電子状態の変化を波数空間分解して明らかにする。さらに、昨年度より進めているハーフメタル強磁性体候補物質CoS2の電子状態研究を進める。すでに観測に成功した電子構造を電子相関を取り入れた電子構造計算と比較することで、電子相関を取り入れていない第一原理計算との相違点ついて考察を進める。そのために岡山大学Jeschkeグループと共同研究を進める予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Direct observation of double valence-band extrema and anisotropic effective masses of the thermoelectric material SnSe (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Nagayama, K. Terashima, T. Wakita, H. Fujiwara, T. Fukura, Y. Yano, K. Ono, H. Kumigashira, O. Ogiso, A. Yamashita, Y. Takano, H. Mori, H. Usui, M. Ochi, K. Kuroki, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 010301
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.010301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of intrinsic half-metallic behavior of CrO2 (100) epitaxial films by bulk-sensitive spin-resolved PES (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Fujiwara, M. Sunagawa, K. Terashima, T. Kittaka, T. Wakita, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • 雑誌名: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 220 ページ: 46-49
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2017.02.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evolution of the remnant Fermi-surface state in the lightly doped correlated spin-orbit insulator Sr2-xLaxIrO4 (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Terashima, M. Sunagawa, H. Fujiwara, T. Fukura, M. Fujii, K. Okada, K. Horigane, K. Kobayashi, R. Horie, J. Akimitsu, E. Golias, D. Marchenko, A. Varykhalov, N. L. Saini, T. Wakita, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 041106(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.041106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual upper critical field behavior in Nb-doped bismuth selenides (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, T. Ueno, H. Fujiwara, T. Yokoya, J. Akimitsu
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 180503(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.180503
  • 査読あり
• [学会発表] ハーフメタルCrO2のスピン脱偏極の起源：高分解能スピン分解光電子分光 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤原弘和，寺嶋健，砂川正典，矢野佑幸，吉井文哉，松浦由佳，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，脇田高徳，村岡祐治，横谷尚睦
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 高分解能スピン分解光電子分光によるハーフメタルCrO2のスピン脱偏極の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤原弘和、寺嶋健成、砂川正典、尾形誠、矢治光一郎、原沢あゆみ、辛埴、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] ハーフメタル強磁性体CrO2の高分解能スピン分解光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤原弘和、寺嶋健成、砂川正典、尾形誠、矢治光一郎、原沢あゆみ、辛埴、脇田高徳、村岡祐治、横谷尚睦
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会
• [備考] 自己紹介
  • URL: http://film.rlss.okayama-u.ac.jp/member/fujiwara/fujiwara.html
• [備考] 業績
  • URL: http://film.rlss.okayama-u.ac.jp/publication.html