強相関トポロジカル結晶のスピン偏極表面状態のSTM及びSARPESによる研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01146
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小森 文夫 東京大学, 物性研究所, 教授 (60170388)
• 研究分担者: 宮町 俊生 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (10437361) ; 矢治 光一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主任研究員 (50447447)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 表面状態 / トポロジカル近藤絶縁体 / スピン偏極 / ツイスト２層グラフェン

研究実績の概要

強いスピン軌道相互作用がある物質表面における軌道運動量に依存した特異なスピン構造の研究の発展として、強い電子相関のある系においても、スピンと運動量が結合した電子状態の研究が行われつつある。本研究では、電子相関が関与する物質単結晶表面を、表面科学手法を用いて原子レベルで清浄化・平坦化し、準粒子干渉測定（A班)とスピン角度分解光電子分光(B班)とを主な研究手法として、そのスピン偏極表面ん電子構造を解明することを目的とする。
A班は、トポロジカル近藤絶縁体候補のSmB6とYbB12単結晶表面を開発した手法で清浄化し、その局所構造依存トンネル分光(STS)および準粒子干渉測定を行った。その結果、SmB6では表面状態の存在を示す電子エネルギーに依存した干渉パターンが観測された。一方、YbB12では電子散乱が弱く電子エネルギーに依存した干渉パターンが観測できなかったものの、局所電子状態密度の表面構造依存性が観測された。現在、この結果を解析中である。また、SmB6表面にコバルト単原子を蒸着したところ、原子の周囲の局所状態密度が清浄面のものとは異なっており、コバルト原子によってトポロジカル電子状態が変化したと解釈した。そして、既設極低温STMの改造を行った。
B班は、11eVレーザー光システムを用いたスピン角度分解光電子分光（SARPES）測定装置を完成しトポロジカル絶縁体のスピン偏極バンド構造を20meVの分解能で測定した。また、時間分解SARPESの開発も行い、時間分解能2psecでトポロジカル絶縁体非占有表面状態の寿命を調べた。軌道放射光を用いたARPES測定では層間相互作用の強いツイスト２層グラフェンの電子状態を精密に調べ、ツイスト角度に依存したフラットバンド領域の変化を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wisconsin-Milwaukee(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Wisconsin-Milwaukee
• [雑誌論文] Subatomic Distortion of Surface Monolayer Lattice Visualized by Moire Pattern (2021)
  • 著者名/発表者名: Hattori Takuma、Kawamura Norikazu、Iimori Takushi、Miyamachi Toshio、Komori Fumio
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 ページ: 2406～2411
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic-layer Rashba-type superconductor protected by dynamic spin-momentum locking (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshizawa Shunsuke、Kobayashi Takahiro、Nakata Yoshitaka、Yaji Koichiro、Yokota Kenta、Komori Fumio、Shin Shik、Sakamoto Kazuyuki、Uchihashi Takashi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1462, 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21642-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure of 3o-twisted bilayer graphene on 4H-SiC(0001) (2021)
  • 著者名/発表者名: Takushi Iimori, Anton Visikovskiy, Hitoshi Imamura, Toshio Miyamachi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuhiko Mase, Kan Nakatsuji, Satoru Tanaka, and Fumio Komori
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 ページ: 1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Realizing large out-of-plane magnetic anisotropy in L10-FeNi films grown by nitrogen-surfactant epitaxy on Cu(001) (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi Kaishu、Miyamachi Toshio、Iimori Takushi、Takahashi Yuki、Hattori Takuma、Yokoyama Toshihiko、Kotsugi Masato、Komori Fumio
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 054403、1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.054403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twisted bilayer graphene fabricated by direct bonding in a high vacuum (2020)
  • 著者名/発表者名: Imamura Hitoshi、Visikovskiy Anton、Uotani Ryosuke、Kajiwara Takashi、Ando Hiroshi、Iimori Takushi、Iwata Kota、Miyamachi Toshio、Nakatsuji Kan、Mase Kazuhiko、Shirasawa Tetsuroh、Komori Fumio、Tanaka Satoru
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 075004, 1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab99d1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological Surface State of Bi2Se3 Modified by Adsorption of Organic Donor Molecule Tetrathianaphthacene (2020)
  • 著者名/発表者名: Kitazawa Tatsuya、Yaji Koichiro、Shimozawa Kosuke、Kondo Hiroshi、Yamanaka Takayoshi、Yaguchi Hiroshi、Ishida Yukiaki、Kuroda Kenta、Harasawa Ayumi、Iwahashi Takashi、Ouchi Yukio、Komori Fumio、Shin Shik、Kanai Kaname
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 7 ページ: 2000524, 1-8
  • DOI: 10.1002/admi.202000524
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orbital Angular Momentum Induced Spin Polarization of 2D Metallic Bands (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Takahiro、Nakata Yoshitaka、Yaji Koichiro、Shishidou Tatsuya、Agterberg Daniel、Yoshizawa Shunsuke、Komori Fumio、Shin Shik、Weinert Michael、Uchihashi Takashi、Sakamoto Kazuyuki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 176401,1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.176401
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 10.7 eV レーザーによるトポロジカル表面状態の偏光依存スピン分解 ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 谷俊太郎, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Cu(001)表面上のFe薄膜に及ぼす酸素・窒素サーファクタントの影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 木村彰博, 森井七生, 佐藤圭介, 長友慶, 小澤健一, 小森文夫, 飯盛拓嗣, 平山博之, 中辻寛
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] n-type Si(111)√3×√3-B表面上のBi(110)超薄膜の電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村玲雄, 勝俣錬, 潮田亮太, 大内拓実, 小森文夫, 飯盛拓嗣, 平山博之, 中辻寛
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Si(111)√3×√3-(Bi,In)表面の電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 勝俣錬, 中村玲雄, 金野達, 木村彰博, 大内拓実, 永友慶, 田中和也, 下川裕理, 小澤健一, 間瀬一彦, 小森文夫, 飯盛拓嗣, 平山博之, 中辻寛
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 原子層ラシュバ型超伝導体の電子輸送研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横田健太, 吉澤俊介, 小林宇宏, 中田慶隆, 矢治光一郎, 小森文夫, 辛埴, 坂本一之, 内橋隆
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 窒素サーファクタント効果により作製したFeCo合金超薄膜の構造と磁気状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮町俊生, 高橋優樹, 飯盛拓嗣, 服部卓磨, 山本航平, 小板谷貴典, 横山利彦, 小嗣真人, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] シリコン立体構造ファセット表面からの光電子分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 服部賢, 東嵩晃, 楊浩邦, Aydar.Irmikimov, Liliany N. Pamasi, 服部梓, 大坂藍, 田中秀和, 飯盛拓嗣
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 10.7 eV レーザーを用いた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口海周，黒田健太，Zhigang Zhao，原沢あゆみ，矢治光一郎A，野口亮，谷俊太郎，藤澤正美，辛埴，小森文夫，小林洋平，近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会秋季分科会
• [学会発表] 構造制御されたSmB6(001) 表面の金属的な電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮町俊生，菅滋正，飯盛拓嗣，伊賀文俊，小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会秋季分科会
• [学会発表] SiC(0001) 上のツイストグラフェンの電子状態のツイスト角度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 飯盛拓嗣、宮町俊生，服部琢磨，中辻寛，北村未歩, 堀場弘司，間瀬一彦、梶原隆司， Visikovskiy Anton，田中悟，小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会秋季分科会
• [学会発表] モアレパターンを利用した窒化鉄膜の局所ひずみ観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 服部卓磨，河村紀一，飯盛拓嗣，宮町俊生，小森文夫
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Si(110)3x2-Bi表面の電子状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 金野達，勝俣錬，木村彰博，中村玲雄，諸貫亮太，山崎詩郎，小澤健一，間瀬一彦，飯盛拓嗣，小森文夫，平山博之，中辻寬
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] ツイスト角に依存したツイストグラフェン電子状態のARPESによる研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 飯盛拓嗣，今村均，VisikovskiyAnton，魚谷亮介，梶原隆司，宮町 俊生，服部琢磨，原沢あゆみ，矢治光一郎，中辻寛，北村未歩，堀場弘司，間瀬一彦，田中悟，小森文夫
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
• [備考] 答えは「電子の動く軌道」！ 原子層結晶で“電子磁石”が現れる機構を解明
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=11463
• [備考] 磁場に強い超伝導を実現する新たなメカニズムを発見
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=12837
• [備考] 原子層膜に存在するピコメートルの局所ひずみを測定
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=12886