角度分解光電子分光による原子層FeSeの高温超伝導の研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04847
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 高温超伝導 / 光電子分光

研究実績の概要

昨年度に引き続いて薄膜作製装置の改良を行なった。特に、赤外レーザーを用いた基板加熱機構に集光レンズを導入することで、効率的かつ高温領域までの基板加熱を可能にした。これにより、各種ガス雰囲気中および真空中で広い温度範囲に亘る基板温度の高精度な制御を実現でき、基板の清浄化および組成・物性の制御を目指した研究の遂行が可能になった。
改良した薄膜作製装置を用いてFeSe原子層薄膜をSrTiO3基板上に作製し、その表面にアルカリ金属やアルカリ土類金属を蒸着してキャリア量を制御した、また、その際のバンド構造や超伝導ギャップ対称性を測定して電子相図を決定した。これまで未解明であった高温領域までのバンド構造を系統的に測定することで、原子層薄膜とバルク試料の相違点を見出した。
また、構成元素を他の元素で置換した原子層薄膜のARPES測定を行い、超伝導転移温度やバンド構造の変化を見出した。低温におけるバンド構造の精密な解析を行うことで、低エネルギーあるいは運動量の小さいボソンと電子が結合している可能性を見出した。以上の結果から、クーパー対の形成を媒介する相互作用について知見を得ることができた。
鉄系超伝導体とトポロジカル絶縁体のヘテロ構造についてもARPES測定を行い、ヘテロ構造の形成に起因する電子状態の変化を観察し、界面超伝導の起源について知見を得た。また、新規トポロジカル超伝導体候補バルク物質の電子状態を決定し、ディラック電子の存在とトポロジカル超伝導発現の可能性を見出した。

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

予定していた薄膜作製装置の改良を行い、目標としていた基板温度の高精度な制御を実現することができた。また、キャリア量制御や元素置換を通じた高温超伝導探索と超伝導メカニズムの研究、及びヘテロ構造などを利用したトポロジカル超伝導探索にも進展があった。

今後の研究の推進方策

薄膜作製装置の改良を進め、高品質なFeSe原子層薄膜、および新規原子層鉄系超伝導体やヘテロ構造を作製し、高温超伝導や新奇超伝導相の実現を目指す。また、角度分解光電子分光測定を用いた電子状態解析によって超伝導機構の解明に取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Temperature insensitivity of Fermi surface in electron-doped high-temperature FeSe films on SrTiO3 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Shigekawa, K. Nakayama, G. N. Phan, M. Kuno, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1054 ページ: 012019
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1054/1/012019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of Dirac-like energy band and unusual spectral line shape in quasi-one-dimensional superconductor Tl2Mo6Se6 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Chi Xuan Trang, Seigo Souma, Emile D. L. Rienks, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 140502(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.140502
  • 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 Superconductor (2018)
  • 著者名/発表者名: Natsumi Shimamura, Katsuaki Sugawara, Sukrit Sucharitakul, Seigo Souma, Katsuya Iwaya, Kosuke Nakayama, Chi Xuan Trang, Kunihiko Yamauchi, Tamio Oguchi, Kazutaka Kudo, Takashi Noji, Yoji Koike, Takashi Takahashi, Tetsuo Hanaguri, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 12 ページ: 10977-10983
  • DOI: 10.1021/acsnano.8b04869
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of a Dirac nodal line in AlB2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Daichi Takane, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Takechika Nakamura, Hikaru Oinuma, Kentaro Hori, Kouji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Noriaki Kimura, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 041105(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.041105
  • 査読あり
• [学会発表] 高分解能ARPESによる新規トポロジカル材料開拓 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中山 耕輔
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Bi2Te3/FeTeの高分解能ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: 大和田健太、中山耕輔、重河恒心、Phan Giao、 菅原克明、高橋 隆、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] High-Resolution ARPES Study of Bi2Te3/FeTe (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Owada, K. Nakayama, K. Shigekawa, G. Phan, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • 学会等名: TMS領域研究会2019
• [学会発表] 鉄系超伝導体原子層薄膜の元素置換：高分解能ARPES (2018)
  • 著者名/発表者名: 重河恒心、大和田健太、Phan Giao、中山耕輔、 菅原克明、高橋 隆、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体/鉄系超伝導体ヘテロ接合の高分解能ARPES (2018)
  • 著者名/発表者名: 大和田健太、重河恒心、Phan Giao、中山耕輔、 菅原克明、高橋 隆、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] トポロジカル超伝導体候補物質Tl2Mo6Se6の高分解能ARPES (2018)
  • 著者名/発表者名: 中山耕輔、Z. Wang、C. X. Trang、相馬清吾、E. D. L. Rienks、高橋 隆、安藤陽一、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] High-Resolution ARPES study of One-Monolayer FeSe Films on SrTiO3: Dirac Semimetal and High-Temperature Superconducting Phases (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakayama, S. Kanayama, G. N. Phan, M. Kuno, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • 学会等名: Materials and mechanisms of superconductivity 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Superconducting Quasiparticles in Electron-Doped FeSe Thin Films Studied by High-Resolution ARPES (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Shigekawa, K. Nakayama, K. Owada, G. N. Phan, K. Sugawara, T. Takahashi, and T. Sato
  • 学会等名: Materials and mechanisms of superconductivity 2018
  • 国際学会
• [学会発表] wo-Dimensional Dirac Semimetal Phase in Undoped Monolayer FeSe Film (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakayama, S. Kanayama, G. N. Phan, M. Kuno, K. Sugawara, T. Takahashi, T. Sato
  • 学会等名: 14th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures
  • 国際学会
• [図書] 放射光利用の手引き ―農水産・医療，エネルギー，環境，材料開発分野などへの応用― (2019)
  • 著者名/発表者名: 中山耕輔、佐藤宇史 他
  • 総ページ数: 344
  • 出版者: アグネ技術センター
  • ISBN: 978-4-901496-95-7 C3043