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2019 年度 実績報告書

スピン分解ARPESによるフェルミオロジーに基づいた革新的原子層超伝導体の開発

研究課題

研究課題/領域番号 18H01160
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 隆  東北大学, 材料科学高等研究所, 学術研究員 (00142919)

研究分担者 菅原 克明  東北大学, 理学研究科, 准教授 (70547306)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード原子層薄膜 / 高温超伝導体 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / グラフェン / トポロジカル絶縁体
研究実績の概要

子構造評価を基軸とした物質開発効率の飛躍的な向上を目的として、超高分解能スピン分解光電子分光装置と原子層薄膜作製MBE装置および試料評価槽を、同一の超高真空下で連動して稼働させるプラットフォームの構築を行った。高い空間分解能で、電子状態の空間分布をマッピングするために、真空紫外領域のレーザー光の集光光学系を作成した。空間分解能向上のために、電子分析アナライザーの電子光学系の調整を行うとともに、レーザーの集光位置を高精度でアライメントするための測定点計測器を導入した。さらに、装置各部の数ミクロン以下の振動をレーザーで評価し、測定真空槽内の試料への振動の低減対策を行なうとともに、マニピュレーターにレーザー干渉型エンコーダーを導入し、試料の3次元座標の高安定化を達成した。
以上の装置開発と並行して、原子層物質の作製と高分解能ARPES実験を行った。3次元トトポロジカル絶縁体TlBiSe2の上にPb超薄膜を成長させた結果、Pb超薄膜がTlBiSe2の表面ディラック電子状態とバンド混成することで、元のPbとは異なるフェルミ面が形成されることを見出した。特に、スピン軌道相互作用によりスピン分裂したバンドにおいて超伝導ギャップを観測したことから、Pb/TlBiSe2がトポロジカル超伝導体の新たなプラットフォームとなり得る事を提案した。原子層薄膜超伝導体FeSeの超伝導機構を解明するため、非超伝導体であるFeSを同一基板上に作成しARPES実験を行なった結果、原子相薄膜超伝導には基板の原子振動と電荷移動だけでは高温超伝導を説明できないと結論した。この他にも、FeTe/Bi2Te3ヘテロ接合の電子構造の解明、単原子層VTe2のCDWの抑制、1T-HfTe2におけるK インターかレーション層の形成、単原子層超伝導体NbSe2の磁場下における量子金属層の観測などを行なった。

現在までの達成度 (区分)
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

電子構造評価と薄膜合成を行うための原子層超伝導薄膜作製プラットフォームの構築は順調に進んでいる。薄膜試料上において電子バンド構造の空間依存性を観測するための、レーザー光源とARPES装置とのドッキング、および試料マニピュレーターの開発は完了し、いくつかのテスト実験を行なった結果、ARPES空間マッピング測定のプロトコルはほぼ確立した状態にある。さらに、放射光施設においてもこのプロトコルを拡張し、放射光ARPESによる原子層物質の電子構造研究にも本格的に着手できる段階にある。
原子層物質の超伝導機構や超伝導物質開発についても多くの知見が得られた。原子層高温超伝導体であるFeSeの重要な参照物質であるFeSの原子層薄膜は、通常のMBE法で安定させて成長させることが困難であったが、一度FeSe薄膜を作成したあとのSを蒸着して科学的にトポタクティック反応を起こすことで、SeをSに置換してFeS超薄膜を作成することに世界で初めて成功した。本研究で構築した測定プラットフォームにより、超高真空下で電子構造を評価した結果、FeSにもFeSeと同程度の基板からの電子ドープが起きていることを明らかにした。もし原子層超伝導がこのキャリヤ数の増加と酸化物基板の高振動フォノンとの結合に起因するものだとすれば、FeSにも超伝導が起こるはずではあるが、単原子層FeSにおいて超伝導が観測されないことから、Fe系超伝導体の高温超伝導には薄膜内の電子間相互作用が寧ろ重要であるとの知見を得た。
以上のように、高分解能ARPESを基軸とした原子層物質の開発と超伝導に関わる電子構造の解明について多くの有用な結果が得られていることから、研究は当初の計画通りに順調に進行していると判断した。

今後の研究の推進方策

本年度において、レーザー光を用いた微小スポット光源の立ち上げが終わり、単一試料におけるARPESによるバンド構造の空間マッピングを行う測定システムが稼働し始めたので、次年度は測定プログラムの作成も含む装置の改良と最終調整を行う。現状でレーザー光のスポットサイズがまだ十分でないため、その評価方法を再検討するとともに、レーザー光の集光光学系の更に改良する。STMや放射光を用いた実験を同一試料で行うために、試料ホルダの標準化とそれに伴うARPESおよびMBE装置の試料まわりを再製作する。電子分析器のディレクター部のレンズパラメーターの更なる調整を行い、低エネルギーにおけるARPESバンドイメージの校正を進めて、より高精度なARPESスペクトル測定を行う。電子状態の高速自動マッピングの制御および解析システムの実装を進め、優れた超伝導特性を示す試料作製条件を抽出することで、原子層高温超伝導体開発の高効率化を目指す。
装置の開発と並行して、原子層超伝導体や関連物質の作製と光電子分光実験を行う。多層FeSe超薄膜やFeTe超薄膜とトポロジカル絶縁体薄膜のヘテロ接合を作成し、界面におけるトポロジカル超伝導発現の可能性を検討する。空間反転対称性の破れたエキゾチックな超伝導を実現するため、積層数を制御した遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜を作製し、その電子構造をスピン分解ARPESにより決定すると同時に、輸送特性を評価する。低温下での輸送特性の実験とエネルギーギャップ測定から超伝導の有無を検証し、スピン軌道相互作用と超伝導との関係を明らかにする。金属系超伝導体や高温超伝導体と、Bi薄膜などのラシュバ金属とのヘテロ接合を作製して、近接効果によりラシュバ金属に超伝導を誘起し、極低温で超伝導ギャップ微細構造の直接観測を行い、エキゾチック超伝導の確立と検証を目指す。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 3件、 査読あり 10件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 6件、 招待講演 7件)

  • [国際共同研究] ケルン大学/マックスプランク研究所(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ケルン大学/マックスプランク研究所
  • [国際共同研究] diamond light source(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      diamond light source
  • [国際共同研究] SOLEIL放射光施設(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      SOLEIL放射光施設
  • [国際共同研究] NSRRC(その他の国・地域)

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      NSRRC
  • [雑誌論文] Anomalous Hall effect at the spontaneously electron-doped polar surface of PdCoO2 ultrathin films2020

    • 著者名/発表者名
      Harada T.、Sugawara K.、Fujiwara K.、Kitamura M.、Ito S.、Nojima T.、Horiba K.、Kumigashira H.、Takahashi T.、Sato T.、Tsukazaki A.
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.2.013282

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Conversion of a conventional superconductor into a topological superconductor by topological proximity effect2020

    • 著者名/発表者名
      Trang C. X.、Shimamura N.、Nakayama K.、Souma S.、Sugawara K.、Watanabe I.、Yamauchi K.、Oguchi T.、Segawa K.、Takahashi T.、Ando Yoichi、Sato T.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1038/s41467-019-13946-0

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nanomosaic of Topological Dirac States on the Surface of Pb5Bi24Se41 Observed by Nano-ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Trang Chi Xuan、Takane Daichi、Chen Chaoyu、Avila Jose、Takahashi Takashi、Sasaki Satoshi、Segawa Kouji、Asensio Maria Carmen、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 19 ページ: 3737-3742

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.9b00875

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Dichotomy of superconductivity between monolayer FeS and FeSe2019

    • 著者名/発表者名
      Shigekawa Koshin、Nakayama Kosuke、Kuno Masato、Phan Giao N.、Owada Kenta、Sugawara Katsuaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 116 ページ: 24470-24474

    • DOI

      10.1073/pnas.1912836116

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeXc (Xc=S, Se, Te)2019

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Takechika、Souma Seigo、Wang Zhiwei、Yamauchi Kunihiko、Takane Daichi、Oinuma Hikaru、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.245105

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unusual change in the Dirac-cone energy band upon a two-step magnetic transition in CeBi2019

    • 著者名/発表者名
      Oinuma Hikaru、Souma Seigo、Nakayama Kosuke、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Yoshida Makoto、Ochiai Akira、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.125122

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Electronic structure of a Bi2Te3/FeTe heterostructure: Implications for unconventional superconductivity2019

    • 著者名/発表者名
      Owada Kenta、Nakayama Kosuke、Tsubono Ryuji、Shigekawa Koshin、Sugawara Katsuaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.064518

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Monolayer VTe2: Incommensurate Fermi surface nesting and suppression of charge density waves2019

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Katsuaki、Nakata Yuki、Fujii Kazuki、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.241404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dimensionality reduction and band quantization induced by potassium intercalation in 1T-HfTe22019

    • 著者名/発表者名
      Nakata Y.、Sugawara K.、Chainani A.、Yamauchi K.、Nakayama K.、Souma S.、Chuang P.-Y.、Cheng C.-M.、Oguchi T.、Ueno K.、Takahashi T.、Sato T.
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 3 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.3.071001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vortex-induced quantum metallicity in the mono-unit-layer superconductor NbSe22019

    • 著者名/発表者名
      Ichinokura Satoru、Nakata Yuki、Sugawara Katsuaki、Endo Yukihiro、Takayama Akari、Takahashi Takashi、Hasegawa Shuji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.220501

    • 査読あり
  • [学会発表] NbTe2薄膜の高分解能ARPES2020

    • 著者名/発表者名
      田口大樹, 中田優樹, 川上竜平, 佐藤匠, 加藤剛臣, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
  • [学会発表] 単層及び多層VTe2薄膜の高分解能ARPES2020

    • 著者名/発表者名
      中田優樹, 川上竜平, 佐藤匠, 田口大樹, 加藤剛臣, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
  • [学会発表] FeSe/Bi2Se3ヘテロ構造の高分解能ARPES2020

    • 著者名/発表者名
      坪野竜治, 中山耕輔, 大和田健太, 高橋隆 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
  • [学会発表] Fe(Se,Te)/CaF2の電子構造の組成依存性:高分解能ARPES2020

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔, 坪野竜治, 大和田健太, 鍋島冬樹, 色摩直樹, 石川智也, 崎下雄稀, 前田京剛, 高橋隆 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 第75回年次大会
  • [学会発表] Superconductivity and Fermiology in Atomically-Thin Iron-Chalcogenide Films Studied by ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama
    • 学会等名
      Research Frontier of Advanced Spectroscopies for Correlated Electron Systems
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Possible topological superconductivity in a hybrid of non-superconducting Bi2Te3 and FeTe2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama
    • 学会等名
      AIMR Workshop on Quantum Materials and Spintronics: Spin, Topology and Superconductivity
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 軟X線ARPESによるスピントロニクス材料の物性機能解明2019

    • 著者名/発表者名
      相馬清吾
    • 学会等名
      日本物理学会 領域5, 領域3 合同シンポジウム 「次世代スピントロニクスに向けた軟X線放射光計測技術の発展」
    • 招待講演
  • [学会発表] A topological perspective to electronic structure in metallic borides verified by angle-resolved photoelectron spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Souma
    • 学会等名
      20th International Symposium on Boron, Borides and Related Materials Boron, Borides and Related Materials,
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-resolution ARPES studies of atomic-layer TMDs controlled crystal structure2019

    • 著者名/発表者名
      K. Sugawara
    • 学会等名
      Carrier doping in two-dimensional layered materials、Centro Congressi Federico II
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Heterostructure-based topological materials studied by ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama
    • 学会等名
      The Future of Topological Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-rtempeature superconductivity in ultrathin iron-chalcogenide films studied by angle-resolved photoemision spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakayama
    • 学会等名
      Materials research meeting 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] VX2(X= Se,Te)原子層薄膜のCDW転移:高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      菅原克明, 中田優樹, 藤井和樹, 中山耕輔, 相馬清吾, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] トポロジカルヘテロ接合Pb/Bi/TlBiSe2の高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      渡邉育子, Chi Xuan Trang, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 瀬川耕司, 山内邦彦, 小口多美夫, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] 1T-HfTe2における次元性制御:高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      中田優樹, 菅原克明, Ashish Chainani, 山内邦彦, 中山耕輔, 相馬清吾, Pei-Yu Chuang, Cheng-Maw Cheng, 小口多美夫, 上野啓司, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] 積層トポロジカル絶縁体薄膜のディラック電子制御:高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤匠, 中田優樹, 菅原克明, 相馬清吾, 高坂祟雄, 山内邦彦, 小口多美夫, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] Fe(Te,Se)/CaF2高温超伝導体の高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      坪野竜治, 中山耕輔, 大和田健太, 鍋島冬樹, 色摩直樹, 石川智也, 崎下雄稀, 前田京剛, 高橋隆 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] Bi2Te3/FeTeヘテロ構造の電子状態:高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      大和田健太, 中山耕輔, 坪野竜治, 重河恒心, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会
  • [学会発表] 単層FeSの高分解能ARPES2019

    • 著者名/発表者名
      中山耕輔, 重河恒心, 大和田健太, Phan Giao, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
    • 学会等名
      日本物理学会 2019年秋季大会

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公開日: 2021-01-27  

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