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

2020 年度 実績報告書

• 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 / 光電子分光 / arpes

研究実績の概要

最終年度である本年は、測定プログラムの作成を含む装置の改良と最終調整を行った。原子層薄膜や関連するバルク試料を高精度で評価するために、レーザー光の集光光学系を改良することで40 um以下の微小スポットを得ることに成功した。原子層超伝導薄膜作製プラットフォームの拡張として、試料ホルダの標準化とポータブル真空搬送装置の作成を行い、東北大で作成した試料を放射光まで移送し、明瞭なARPESスペクトルを観測することに成功した。試料の超伝導ギャップの高精度観測のために、装置の電子レンズパラメーターやスリット調整を行い分解能を向上させ、さらに試料マニピュレーター制御の低温化を行った。測定効率の向上とコロナ禍における無人測定の実現のために、電子状態の自動マッピングの制御および解析システムの実装を行った。
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った。単層FeSe超薄膜において超伝導状態における準粒子バンドを高精度で測定し、これが通常のボゴリウボフ準粒子では説明できない分散構造を示すことを見出した。CaF2上に成長したFeSe1-xTex試料において、超伝導を示す組成と非超伝導組成とではバンドを構成するt2g(dxy/dyz/dzx)軌道の混成比が大きく異なることを見出し、ネマシティと高温超伝導の間の強い相関を示唆した。ファンデルワールス強磁性体Cr2Si2Te6上に成長したBi2Se3薄膜において超薄膜領域(2nm)でディラックギャップを観測したが、その大きさはキュリー温度前後で有意な差を示さず、トポロジカル/強磁性体ヘテロ構造において界面接合が物性を大きく左右すると結論した。また、この他にも、Bi薄膜における電子状態の異常な温度変化や、新規ディラック電子系であるCaAuAsやEuIn2As2の表面状態の観測などについて論文を発表した。

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] Johns Hopkins University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Johns Hopkins University
• [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] Paul Scherrer Institute(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institute
• [雑誌論文] Manipulation of Dirac Cone in Topological Insulator/Topological Insulator Heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato Takumi、Sugawara Katsuaki、Kato Takemi、Nakata Yuki、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 ページ: 1080～1085
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00918
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual Temperature Evolution of Quasiparticle Band Dispersion in Electron-Doped FeSe Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Kosuke、Shigekawa Koshin、Sugawara Katsuaki、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Symmetry 巻: 13 ページ: 155～155
  • DOI: 10.3390/sym13020155
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Orbital mixing at the onset of high-temperature superconductivity in FeSe1-xTex/CaF2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakayama K.、Tsubono R.、Phan G. N.、Nabeshima F.、Shikama N.、Ishikawa T.、Sakishita Y.、Ideta S.、Tanaka K.、Maeda A.、Takahashi T.、Sato T.
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: L012007-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.L012007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of inverted band structure in the topological Dirac semimetal candidate CaAuAs (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Kubota Yuya、Nakata Yuki、Cacho Cephise、Kim Timur、Ekahana Sandy Adhitia、Shi Ming、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 041104-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.041104
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Modulation of Dirac electrons in epitaxial Bi2Se3 ultrathin films on van der Waals ferromagnet Cr2Si2Te6 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Sugawara Katsuaki、Ito Naohiro、Yamauchi Kunihiko、Sato Takumi、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi、Shiomi Yuki、Saitoh Eiji、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 084202-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.084202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Signature of band inversion in the antiferromagnetic phase of axion insulator candidate EuIn2As2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Takafumi、Wang Zhiwei、Takane Daichi、Souma Seigo、Cui Chaoxi、Li Yongkai、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Kubota Yuya、Cacho Cephise、Kim Timur K.、Arab Arian、Strocov Vladimir N.、Yao Yugui、Takahashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 ページ: 033342-1～8
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033342
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual temperature evolution of the band structure of Bi(111) studied by angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Takafumi、Yamada Keiko、Kosaka Takao、Souma Seigo、Yamauchi Kunihiko、Sugawara Katsuaki、Oguchi Tamio、Takahashi Takashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 085112-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.085112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac Fermion Kinetics in 3D Curved Graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanabe Yoichi、Ito Yoshikazu、Sugawara Katsuaki、Koshino Mikito、Kimura Shojiro、Naito Tomoya、Johnson Isaac、Takahashi Takashi、Chen Mingwei
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 ページ: 2005838～2005838
  • DOI: 10.1002/adma.202005838
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] μ-ARPES study of ferromagnetic layered oxide Sr4Ru3O10 (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Souma, N. Watanabe, K. Nakayama, J. Ribeiro, Y. Wang,T. Takahashi, Z. Mao, Y. P. Chen, and T. Sato
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
• [学会発表] Selective fabrication of atomic-layer 1H- and 1T'-MoTe2 films (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sugawara, Y. Saruta, T. Kato, T. Taguchi, T. Takahashi and T. Sato
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of multi-layer VTe2 thin films studied by ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Kawakami, K. Sugawara, T. Kato, T. Taguchi, S. Souma, T. Takahashi, T. Sato
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Dirac Electronic States of Bi2Se3 Thin Films on Ferromagnetic Cr2Ge2Te6 Studied by High-resolution ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Kato, N. Ito, T. Kawakami, K. Sugawara, S. Souma, K. Nakayama, T. Takahashi, Y. Shiomi, E. Saitoh, T. Sato
  • 学会等名: The 4th International Symposium for The Core Research Cluster for Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] BL28におけるトポロジカル物質のμ-ARPESマッピング (2021)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾, 本間飛鳥, 北村未歩, 堀場弘司, 川上竜平, 渡辺夏芽, 中山耕輔, 菅原克明, 高橋隆, 組頭広志, 佐藤宇史
  • 学会等名: 2020年度量子ビームサイエンスフェスタ/ 第38回PFシンポジウム
• [学会発表] マイクロARPESによるトポロジカル物質の局所電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 相馬清吾, 本間飛鳥, 北村未歩, 堀場弘司, 川上竜平, 渡辺夏芽, 中山耕輔, 菅原克明, 高橋隆, 組頭広志, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 高分解能ARPESによる強磁性酸化物Sr4Ru3O10のバンド構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡辺夏芽, 相馬清吾, 中山耕輔, J. Ribeiro, Y. Wang, 高橋隆, Z. Mao, Y. P. Chen, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] ディラック半金属候補物質BaMg2Bi2の高分解能ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 高根大地, 久保田雄也, 川上竜平, 加藤剛臣, 坪野竜治, 菅原克明, 中山耕輔, 相馬清吾,出田真一郎, 田中清尚, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] マイクロARPESによる遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅原克明、川上竜平、加藤剛臣、田口大樹、猿田康朗、久保田雄也、坪野竜治、渡辺夏芽、北村未歩、 堀場弘司、組頭広志、上野啓司、中山耕輔、相馬清吾、高橋 隆、佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Bi2Se3/Cr2Ge2Te6におけるディラックギャップ：高分解能ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤剛臣, 伊東直洋, 川上竜平, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 北村未歩, 堀場弘司, 組頭広志, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] MoTe2原子層薄膜の微細電子構造：高分解能ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 猿田康朗, 川上竜平, 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76回年次大会
• [学会発表] VTe2薄膜の擬一次元的フェルミ面とCDW相：高分解能ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平, 加藤剛臣, 田口大樹, 猿田康朗, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Dirac electronic states of Bi2Se3 thin films on ferromagnetic Cr2Si2Te6 studied by high-resolution ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Naohiro Ito, Kunihiko Yamauchi, Takumi Sato, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Yuki Shiomi, Eiji Saitoh, Takafumi Sato
  • 学会等名: APS March meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] The electronic state of atomic-layer TMDs studied by high-resolution ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Sugawara
  • 学会等名: The 6th International Workshop on 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ディラック半金属候補物質SrMg2Bi2の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 久保田雄也, 高根大地, 川上竜平, 中山耕輔,相馬清吾, 高橋隆, 瀬川耕司, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] FeSe/Bi2Se3ヘテロ構造の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 坪野竜治, 中山耕輔, 大和田健太, 菅原克明, 高橋 隆, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] FeSe1-xTex/CaF2の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 中山耕輔, 坪野竜治, G. Phan, 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2020年秋季大会
• [学会発表] 反強磁性ハーフホイスラーGdPtBiの電子状態観測: 高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 高根大地, 鈴木健士, 相馬清吾, 山内邦彦, 中山耕輔, 堀健太郎, C. X. Trang, Emile D. L. Rienks, 北村未歩, C. Cacho, T. Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋 隆, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 強磁性層状酸化物Sr4Ru3O10の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺夏芽, 相馬清吾, 中山耕輔, J. Ribeiro, Y. Wang, 高橋隆, Z. Mao, Y. P. Chen, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体/強磁性体ヘテロ構造のディラック電子状態::高分解能 ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤剛臣, 伊東直洋, 川上竜平, 久保田雄也, 田口大樹, 坪野竜治, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 多層VTe2薄膜の擬一次元的電子構造：高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平, 田口大樹, 加藤剛臣, 猿田康朗, 菅原克明, 高橋隆, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] MoTe2原子層薄膜の高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 猿田康朗, 川上竜平, 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2020年秋季大会
• [学会発表] 高分解能ARPESによる単層・多層NbTe2薄膜の電子状態 (2020)
  • 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2020年秋季大会
• [学会発表] 1T-XSe2(X＝Na, Ta)原子層のモット絶縁相制御：高分解能ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 中田優樹, 菅原克明, C. Bao, S. Zhou, P. Y. Chuang, C.-M Cheng, 高橋隆, A. Chainani, S. Y. Zhou, 佐藤宇史
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] High-Resolution ARPES Study on the Origin of High-Temperature Superconductivity in FeSe1-xTex/CaF2 (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Nakayama, R. Tsubono, G. N. Phan, F. Nabeshima, N. Shikama, T. Ishikawa, Y. Sakishita, S. Ideta, K. Tanaka, A. Maeda, T. Takahashi, and T. Sato
  • 学会等名: The 4th Symposium for The Core Research Cluster for Materials Science
  • 国際学会
• [学会発表] ファンデルワールス強磁性体 Cr2Ge2Te6 の高分解能 ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤剛臣, 伊東直洋, 川上竜平, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
  • 学会等名: 第34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] VTe2 薄膜の高分解能 ARPES (2020)
  • 著者名/発表者名: 川上竜平、田口大樹、加藤剛臣、猿田康朗、菅原克明 、高橋隆、 佐藤宇史
  • 学会等名: 第34回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム