３価コバルト酸化物における特異なスピン状態の電子構造的起源の探求

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05502
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 齋藤 智彦 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 教授 (30311129)
• 研究分担者: 小林 義彦 東京医科大学, 医学部, 講師 (60293122)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: コバルト酸化物 / スピンクロスオーバー / 電子構造 / 光電子分光 / コンプトン散乱 / 低スピン / 高スピン

研究実績の概要

本年度は、RCoO3（R=希土類）の電子構造を中心に研究展開をし、以下のような研究実績を得た。
(1) 硬X線光電子分光（HAXPES）測定による電子構造研究：ペロブスカイト型Co酸化物LaCoO3で見られる100 K及び500 K付近のスピンクロスオーバーのうち、100 Kのものに伴う電子構造の温度変化を、低温でのチャージングを防ぐ試料準備を行い、室温300 Kから十分基底状態に近い10 KまでHAXPES測定することに成功した。その結果、価電子帯、Co 2p内殻スペクトルはともに大きな温度変化を示し、その変化は定性的には低温低スピンから高温高スピン的な変化であると解釈した。
(2) コンプトン散乱を用いた電子運動量密度測定：(2a) LaCoO3の500 Kでの絶縁体-金属転移をともなうスピンクロスオーバー現象における電子軌道状態の対称性変化を明らかにするため、LaCoO3単結晶において、コンプトンプロファイルの結晶方位依存性を測定し、100 Kスピンクロスオーバーによるeg-t2g間電子移動が500Kスピン転移においてさらに生じていること、Co(3d)軌道状態がO(2p)と混成した分子軌道の特徴を持つこと、を明らかにした。(2b) 100 K-スピン転移を生じず、500K転移までそのCo3+が低スピン状態を維持するとされているPrCoO3の[100]方向のコンプトンプロファイルの温度依存性を5-300 Kの範囲で測定し、温度上昇に伴うPr-4f電子状態変化を示唆する結果を得た。
(3) 上記以外の関連するペロブスカイト型酸化物、特に多量体を組んでスピンシングレットとなるようなV酸化物についても比較測定を実施した。

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

LaCoO3の100 Kのスピンクロスオーバーに伴う電子構造変化するためには、室温から10 K付近までの光電子分光測定が必要であるが、このような最低温までの温度変化測定は、これまでチャージングのために成功例が無かった。本研究はこれに挑戦するものであるが、今回試料準備を工夫し、HAXPESを用いて世界で初めて成功した。これは研究計画通りである。また、光電子分光が苦手な室温以上の500 Kのスピンクロスオーバーについては、コンプトン散乱測定が成功し、LaとPrの違いについて示唆が得られた。

以上の結果から、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

今後、光電子分光測定については、室温では低スピンであるとされているR=Pr, Ndの室温以下の温度変化測定を実施する。またLaCoO3について、理論グループと協力してCo 2p内殻スペクトルのDMFTクラスターモデル計算のシミュレーションを実施し、中間スピンが必要であるのか否かの考察を実施する。

次年度使用額が生じた理由

本研究計画で最も大きな支出は放射光施設のビームタイム利用料であり、計画では年間約90万円を計上している。しかし本年度は広島で開催された国際会議に予定より多くの学生が参加発表することができたために旅費が膨らみ、年度内予算の範囲内で利用料を支出することができなくなったため、大学校費で利用料を賄った。差額は次年度（H30年度）のビームタイム利用料に充て、研究計画をさらに推進する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] University of Roma "La Sapienza"(Italy)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: University of Roma "La Sapienza"
• [雑誌論文] Observation of a Pseudogap in the Vicinity of the Metal-Insulator Transition in the Perovskite-type Vanadium Oxides Nd1-xSrxVO3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Yamamoto, Daiki Ootsuki, Daiya Shimonaka, Daisuke Shibata, Kenjiro Kodera, Mario Okawa, Tomohiko Saitoh, Masafumi Horio, Atsushi Fujimori, Hiroshi Kumigashira, Kanta Ono, Eiji Ikenaga, Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, and Teppei Yoshida
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 ページ: 024708-1--5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.024708
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic properties of Ba1-xSrxV13O18 (x=0, 0.2, 1) studied using hard x-ray photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Dash, M. Okawa, T. Kajita, T. Yoshino, R. Shimoyama, K. Takahashi, Y. Takahashi, R. Takayanagi, T. Saitoh, D. Ootsuki, T. Yoshida, E. Ikenaga, N. L. Saini, T. Katsufuji, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 195116-1--7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.195116
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 銅系クレドネライト型酸化物Cu1+xMn1-xO2（x=0, 0.10, 0.15）の価数状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙橋謙太、大川万里生、保井晃、池永英司、奥田哲治、浜田典昭、小野寛太、齋藤智彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 特異な磁性状態を示すPr1-xYxCoO3の電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井大輔、高柳亮平、大川万里生、小林義彦、小野寛太、Eike F. Schwier、島田賢也、齋藤智彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 硬X線光電子分光およびX線吸収分光によるPr1-xYxCoO3の磁性と電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高柳亮平、金井大輔、大川万里生、小林義彦、保井晃、池永英司、小林正起、蓑原誠人、堀場弘司、組頭広志、小野寛太、齋藤智彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 硬X線光電子分光法によるLa1-xSrxMnO3の電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 下山諒太、大川万里生、菱田智子、大林和重、保井晃、池永英司、齋藤智彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 硬X線光電子分光法によるLa0.775Sr0.225-xCaxMn1-yGayO3の電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 飯尾大貴、大川万里生、保井晃、池永英司、桑原英樹、太刀川純孝、齋藤智彦
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 超巨大磁気抵抗物質La1-xSrxMnO3の硬X線光電子分光スペクトルの温度依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 下山諒太、大江日南子、大川万里生、菱田智子、大林和重、保井晃、池永英司、野田正亮、桑原英樹、齋藤智彦
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ・第35回PFシンポジウム
• [学会発表] 銅系クレドネライト型酸化物Cu1+xMn1-xO2（x=0, 0.10, 0.15）の電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙橋謙太、大川万里生、保井晃、池永英司、奥田哲治、浜田典昭、小野寛太、齋藤智彦
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ・第35回PFシンポジウム
• [学会発表] 硬X線光電子分光およびX線吸収分光によるPr1-xYxCoO3の磁性と価数変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高柳亮平、金井大輔、中村拓海、大川万里生、小林義彦、保井晃、池永英司、小林正起、蓑原誠人、堀場弘司、組頭広志、齋藤智彦
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ・第35回PFシンポジウム
• [学会発表] La0.775Sr0.225-xCaxMn1-yGayO3の硬X線光電子分光スペクトル (2018)
  • 著者名/発表者名: 飯尾大貴、大川万里生、保井晃、池永英司、高木康多、桑原英樹、太刀川純孝、齋藤智彦
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ・第35回PFシンポジウム
• [学会発表] ペロブスカイト型Co酸化物Pr1-xYxCoO3の電子構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金井大輔、高柳亮平、中村拓海、大川万里生、小林義彦、小野寛太、堀場弘司、齋藤智彦
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ・第35回PFシンポジウム
• [学会発表] La1-xSrxMnO3におけるMn 2p硬X線光電子分光スペクトルのホールドープ量・温度依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大江日南子、下山諒太、大川万里生、野田正亮、菱田智子、大林和重、保井晃、池永英司、桑原英樹、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 共鳴光電子分光法によるPr1-xYxCoO3の電子構造の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金井大輔、高柳亮平、大川万里生、小林義彦、小野寛太、堀場弘司、Eike F. Schwier、島田賢也、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Temperature dependence of valence-band and Co 2p hard x-ray photoemission spectra in LaCoO3 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高柳亮平、金井大輔、大川万里生、小林義彦、保井晃、池永英司、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるLa2-2xSr1+2xMn2O7（x~0.5）の電子構造と電子相の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大久保晶平、髙橋裕也、宮林麟太郎、大川万里生、桑原英樹、野田正亮、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] La1-xSrxMnO3価電子帯光電子分光スペクトルのhv依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 下山諒太、大江日南子、大川万里生、菱田智子、大林和重、保井晃、池永英司、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] LaCoO3の単結晶非弾性中性子散乱研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 富安啓輔、小林義彦、古府麻衣子 川村聖子、石原 純夫
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Linear-polarization-dependent hard x-ray photoemission study on Cu-based delafossite oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Takahashi, M. Okawa, A. Yasui, E. Ikenaga, S. Ogata, M. Ota, T. Okuda, N. Hamada, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Cu+-M3+ charge transfer effect in Cu-based delafossite oxides revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Okawa, R. Kato, A. Yasui, E. Ikenaga, K. Ono, T. Okuda, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Non-Fermi liquid behavior in the vicinity of metal to insulator transition in Nd1-xSrxVO3 probed by photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki, S. Yamamoto, D. Shimonaka, D. Shibata, K. Kodera, M. Okawa, T. Saitoh, M. Horio, A. Fujimori, H. Kumigashira, K. Ono, E. Ikenaga, S. Miyasaka, S. Tajima, and T. Yoshida
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Co 2p hard x-ray photoemission spectra of perovskite Co oxides as a manifestation of complex spin state (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Takayanagi, S. Takei, M. Okawa, Y. Kobayashi, A. Yasui, E. Ikenaga, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Instable electronic/magnetic ground state in La2-2xSr1+2xMn2O7 (x~0.5) probed by ARPES (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, M. Okawa, H. Kuwahara, K. Ono, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Hard x-ray photoemission spectra of the Mn 2p core level in colossal magnetoresistive La1-xSrxMnO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Shimoyama, M. Okawa, T. Hishida, K. Ohbayashi, A. Yasui, E. Ikenaga, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-induced transient electronic states of 2H-NbSe2 observed by time-resolved photemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Watanabe, T. Suzuki, Y. Ogawa, T. Someya, S. Michimae, M. Fujisawa, T. Kanai, N. Ishii, J. Itatani, T. Saitoh, K. Okazaki, and S. Shin
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy 2017 (CORPES17)
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization-emmission angle dependent hard x-ray photoemission study of thermoelectric Cu-based delafossite oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Takahashi, M. Okawa, A. Yasui, E. Ikenaga, T. Okuda, S. Ogata, M. Ota, N. Hamada, and T. Saitoh
  • 学会等名: International Symposium on Novel Energy Nanomaterials, Catalysts, and Surfaces for Future Earth
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging of Co(3d) orbitals responsible for the 500K spin state transition in LaCoO3 using X-ray Compton scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kobayashi, Y. Sakurai, M. Itou, N. Tsuji, K. Sato and K. Asai
  • 学会等名: 10th International Conference on Inelastic X-ray Scattering (IXS2017)
• [学会発表] 硬X線光電子分光によるLa1-xSrxMnO3の電子状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大江日南子、下山諒太、大川万里生、菱田智子、大林和重、保井晃、池永英司、齋藤智彦
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
• [学会発表] Polarization-emission angle dependent hard x-ray photoemission study on Cu-based delafossite oxides (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋謙太、大川万里生、保井晃、池永英司、奥田哲治、浜田典昭、齋藤智彦
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
• [学会発表] 角度分解光電子分光法による層状Mn酸化物の電子構造の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋裕也、桑原英樹、小野寛太、大川万里生、齋藤智彦
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
• [学会発表] Co 2p内殻硬X線光電子分光によるペロブスカイト型Co酸化物のスピン状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高柳亮平、武井翔平、大川万里生、小林義彦、保井晃、池永英司、齋藤智彦
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
• [学会発表] 時間分解光電子分光による2H-NbSe2の光励起電子状態の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉真莉、鈴木剛、小川優、染谷隆史、道前翔矢、野原実、高木英典、藤澤正美、金井輝人、石井順久、板谷治郎、齋藤智彦、岡崎浩三、辛埴
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」
• [学会発表] 銅系クレドネライト型酸化物Cu1+xMn1-xO2（x=0, 0.10, 0.15）の電子構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙橋謙太、大川万里生、保井晃、池永英司、奥田哲治、小野寛太、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Pr1-xYxCoO3における光電子分光スペクトルのドープ量依存性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高柳亮平、金井大輔、大川万里生、小林義彦、保井晃、池永英司、小林正起、蓑原誠人、堀場弘司、組頭広志、小野寛太、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 時間・角度分解光電子分光による2H-NbSe2の光励起電子状態の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉真莉、鈴木剛、染谷隆史、道前翔矢、藤澤正美、金井輝人、石井順久、板谷治郎、齋藤智彦、岡崎浩三、辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] スピネル型酸化物AlV2O4の硬X線光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大川万里生、下山諒太、高柳亮平、飯尾大樹、大江日南子、金井大輔、保井晃、池永英司、勝藤拓郎、溝川貴司、齋藤智彦
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [備考] 東京理科大学研究者データベース RIDAI
  • URL: https://www.tus.ac.jp/ridai/doc/ji/RIJIA01.php
• [備考] 東京理科大学理学部応用物理学科 齋藤研究室 Webpage
  • URL: http://www.rs.kagu.tus.ac.jp/~tsaitohg/