顕微レーザー角度分解光電子分光による複合原子層における非自明なバンド構造の研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H01834
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 坂野 昌人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70806629)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 顕微レーザー角度分解光電子分光 / 原子層フレーク試料 / ヘテロ構造

研究実績の概要

本研究は、顕微レーザー角度分解光電子分光装置と、画像認識や機械学習を用いて原子層を自在に積層する複合原子層作製システムを組み合わせて、原子層フレーク試料を積層した複合原子層物質のバンド構造を観測する手法を確立し、新奇量子現象の探求を行うことを目的としている。
本年度は、六方晶窒化ホウ素を基にして順次フレーク試料の積層を行い、最表面がグラフェンで覆われた複合原子層を作製することによって、原子層フレーク試料のバンド構造を直接観測する手法を確立した。この手法は、異種原子層のヘテロ接合体やツイスト積層体への適用が可能であり、今後の研究を飛躍的に展開させるものである。
まず層状半金属WTe2を研究対象として、2~5層WTe2のバンド構造を直接観測した。2層と3層の間でバンドギャップを有する絶縁体的なバンド構造から、電子型とホール型のバンド分散がフェルミ準位を横切る半金属的なバンド構造へと転移することを明らかにした。さらに、空間反転対称性の破れとスピン軌道相互作用によるバンド分散のスピン分裂の大きさが層数の偶奇性に依存することを明らかにした。これらの結果をもとに現在論文を投稿中である。さらに同様の手法を用いて、MoTe2やZrTe化合物、ツイスト積層体、ヘテロ接合体、磁性体や超伝導体との接合体といった様々な複合原子層物質における電子状態の直接観測を行っている。
また、顕微レーザー角度分解光電子分光を改良するために、高精度XYZステージを購入した。新型コロナウイルスの影響によって納品時期が年度末に遅れたものの、ソフトウェアの開発をすでに始めている。現状のレーザーのスポット径を評価したところ、長軸方向に15.7マイクロメートルであることを確認した。

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

本年度は新型コロナウイルスの影響により、東京大学生産研究所へ行って角度分解光電子分光測定用の複合原子層の試料作製を行う機会が減ってしまったものの、今後の研究展開の鍵となる異種原子層のヘテロ接合体やツイスト積層体における電子構造の観測までも適用可能な試料作製の手法を確立することができた。手法を確立する試行錯誤の段階の副産物として2-5層WTe2の電子構造の直接観測を行ったところ、すべての層数において結晶構造の対称性は同じであるにも関わらず、バンド分散のスピン分裂の大きさが層数の偶奇性に依存するという新たな現象を発見することができた。さらに現在、確立した手法を用いてツイスト積層体、異種原子層によるヘテロ接合体の電子構造の観測を行っており、当初の研究計画以上に研究が進展している。また、超高速時間分解電子顕微鏡を用いた非平衡ダイナミクスの直接観測や、高エネルギーを有する放射光光源を用いた角度分解光電子分光による電子構造の観測など、新たな研究展開が生まれた。
顕微レーザー角度分解光電子分光装置の改良については、試料の測定位置でレーザースポット径が15マイクロメートル未満になることを目標にしていたものの、現状の最小値が15.7マイクロメートルであった。また、試料マニピュレータを乗せる高精度XYZステージの納品が、新型コロナウイルスの影響によって部品調達が遅れたことで年度末へずれ込んだ。現在、制御ソフトウェアの開発を可及的速やかに行っている。

今後の研究の推進方策

まずは現在研究を進めているMoTe2の層数依存の観測を行う。WTe2とMoTe2では、明瞭な角度分解光電子分光像が得られることが既に明らかとなっているので、それらのヘテロ接合体やツイスト積層体の研究を行う。さらに、超伝導体や磁性体といった機能性を有した2次元物質との接合体を研究対象とする。
原子層フレーク試料の研究では、試料に多数の電極を取り付けてキャリア注入および電場印加された状態で輸送測定を行うことによって新奇物性を発見してきたという歴史がある。本研究では複合原子層の電子構造を直接観測する手法が確立したことによって、輸送測定や透過型電子顕微鏡による実空間観測と組み合わせて研究を進めていくことが視野に入ってきた。角度分解光電子分光と輸送測定および実空間観測を同一の試料で行える手法を開発し、さらなる新奇物性の探求を行っていく。また、新型コロナウイルスでも持続的に実験を行うことができるように、測定の自動化にも取り組んでいく。

研究成果

• [雑誌論文] Competing spin modulations in the magnetically frustrated semimetal EuCuSb (2020)
  • 著者名/発表者名: Hidefumi Takahashi, Kai Aono, Yusuke Nambu, Ryoji Kiyanagi, Takuya Nomoto, Masato Sakano, Kyoko Ishizaka, Ryotaro Arita, and Shintaro Ishiwata
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 102 ページ: 174425
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.174425
  • 査読あり
• [学会発表] 原子層1T'-MoTe2における電子状態の観測と層数依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 磁性半金属EuCuSbにおけるフラストレーションに起因した特異な磁気基底状態の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高橋英史, 青野快, 南部雄亮, 鬼柳亮嗣, 野本拓也, 坂野昌人, 石坂香子, 有田亮太郎, 石渡晋太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] Direct observation of the layer-number-dependent electronic structure in few-layer WTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano
  • 学会等名: The 7th International Wworkshop on 2D Materals
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of the layer dependent electronic structures in atomically thin WTe2 flakes (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • 学会等名: APS March Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 原子層WTe2における層数依存した電子状態の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 大島敦史, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 町田友樹, 石坂香子
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • 学会等名: Quantum Complex Matter 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of atomically thin WTe2 flakes and band structure investigation by angle-resolved photoemission spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Masubuchi, M. Sakano, A. Oshima, T. Nomoto, R. Arita, S. Okazaki, T. Sasagawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Machida, K. Ishizaka
  • 学会等名: Quantum Complex Matter 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 原子層WTe2における電子状態の観測と層数依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中佑磨, 増渕覚, 坂野昌人, 野本拓也, 有田亮太郎, 岡崎尚太, 笹川崇男, 渡邊賢司, 谷口尚, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 町田友樹, 石坂香子
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会