次世代放射光ネットワークによる酸化物デバイスで発現する新奇量子状態の多元解析

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20KK0117
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 組頭 広志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00345092)
• 研究分担者: 相馬 清吾 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (20431489) ; 北村 未歩 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 次世代放射光施設整備開発センター, 主任研究員 (00783581)
• 研究期間 (年度): 2020-10-27 – 2026-03-31
• キーワード: 放射光 / 量子ビーム / 角度分解光電子分光 / 軟X線分光 / 酸化物エレクトロニクス / 強相関電子系 / 酸化物ヘテロ構造 / 機能性ナノ構造

研究実績の概要

本国際共同研究の目的は、海外の次世代高輝度放射光施設の先端解析技術と日本側の酸化物デバイス作製技術とを組み合わせ、酸化物デバイス・ナノ構造研究を国際共同研究の下に加速させることである。具体的には、国内の放射光施設では観測することの難しい、酸化物デバイス界面数nmの領域で発現する特異な量子（電荷・スピン・軌道）状態をそれぞれの自由度に分けて可視化し、その知見に基づいた機能設計を行う。これにより、現状のボトルネックを解消し、明確な設計指針の元に酸化物デバイス開発を進める。さらに、本研究を通した欧州の放射光施設での研究交流を通じて、次世代光源である東北放射光への最先端放射光解析技術の導入を図る。
本年度は、ようやく新型コロナ禍による渡航制限がほぼ解除されたこともあり、パリ南大のグループとの下記に示す国際共同研究を遂行した。
１）SOLEIL放射光施設のカシオペアビームラインを用いて、パリ南大のグループと共同でVO2薄膜の偏光依存ARPES測定を行った。その結果、V-V二量化に伴った電子状態変化を観測することに成功した。
２）パリ南大のグループが来日し、KEK-PFのMUSASHIビームラインを用いて、酸素欠損VO2薄膜の金属絶縁体に関する研究を行った。
上記の国際共同実験において、対面で参加する人数を制限するため、一部のメンバーはこれまでに構築したリモート実験環境を駆使して参画した。さらに、オンライン会議を積極的に用いて、パリ南大学のグループと今後の研究計画に関する入念な打ち合わせを継続している。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

今年度から新型コロナウイルス感染症による渡航制限、および共同研究先の研究活動制限が解除され、一部であるがようやく対面での国際共同研究が日仏両方で実施できた。これまで、パリ南大学およびブルツブルグ大学の研究者とはオンラインツールで打ち合わせ、およびそれぞれの機関・放射光施設に整備したネットワークによる遠隔実験により、国際共同研究自体をすすめてきたものの、実際の国際共同実験はやや遅れているのが現状である。特に、リモートでは実施困難な、スピン・軌道分解ARPES測定技術の開発、ナノARPES装置でのオペラント測定化のための電圧印加機構の設計・開発、およびオペラント測定用試料ホルダーへの酸化物デバイス構造の組み込みなどは、依然打ち合わせの段階である。しかしながら、十分に実験計画を練ってあり、今後は遅れを取り戻して研究遂行が出来る体制が構築されている。

今後の研究の推進方策

新型コロナウイルス感染症による渡航制限がほぼ解除されたため、これまでの研究計画を遂行していく。具体的には、独国ブルツブルグ大学での試料作製、および仏国パリ南大学のグループとのSOLEIL放射光施設を用いたナノARPES測定を行う。ナノARPES装置におけるオペラント測定化のための電圧印加機構については、2024年度の6月から9月の間にパリ南大学のAndres Santander-Syro教授を東北大学の客員教授として招聘予定であり、滞在中に設計・開発を進める予定である。
また、多くのメンバーが参画できるようにこれまで本研究で構築してきたリモート実験環境を有効に活かしつつ、欧州の放射光施設における国際共同研究を強力に推し進めていく。

次年度使用額が生じた理由

今年度は、新型コロナ禍による渡航制限がほぼ解除され、対面での国際共同実験を開始する事ができた。しかしながら、実質的な国際共同実験が停止していたこれまでの渡航制限の期間に執行できなかった国際共同研究分に相当する額を来年度以降に繰り越した。これらを使用し、来年度から酸化物デバイス・ナノ構造研究を国際共同研究の下に加速させる予定である。

研究成果

• [国際共同研究] Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Paris-Saclay University/Synchrotron SOLEIL
• [雑誌論文] Temperature-induced structural and electronic phase transitions in λ-phase Ti3O5 (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshimatsu K.、Nakao H.、Kumigashira H.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 8 ページ: 035002[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.035002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Peculiar magnetotransport properties in epitaxially stabilized orthorhombic Ru3+ perovskite LaRuO3 and NdRuO3 (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhang Lingfei、Fujita Takahiro C.、Masutake Yuuki、Kawamura Minoru、Arima Taka-hisa、Kumigashira Hiroshi、Tokunaga Masashi、Kawasaki Masashi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 5 ページ: 35[1-8]
  • DOI: 10.1038/s43246-024-00470-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unveiling the orbital-selective electronic band reconstruction through the structural phase transition in TaTe2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Mitsuishi Natsuki、Sugita Yusuke、Akiba Tomoki、Takahashi Yuki、Sakano Masato、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Hidefumi、Ishiwata Shintaro、Motome Yukitoshi、Ishizaka Kyoko
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 6 ページ: 013155[1-17]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.013155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Properties of Chiral IrGe4Studied by Angle Resolved Photoemission Spectroscopy and Band Structure Calculation (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Genki、Shimaiwa Taiki、Okawa Mario、Nakamura Naoki、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Kitamura Miho、Shiga Daisuke、Kumigashira Hiroshi、Kopciuszynski Marek、Barinov Alexey、Saini Naurang. L.、Mizokawa Takashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 93 ページ: 014702[1-6]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.93.014702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tatsuhiko、Shiga Daisuke、Wada Asato、Hayasaka Ryotaro、Masutake Yuuki、Hasegawa Naoto、Kitamura Miho、Yoshimatsu Kohei、Kumigashira Hiroshi
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 4 ページ: 1038[1-6]
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00354-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic phase diagram of Cr-doped VO2 epitaxial films studied by in situ photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiga D.、Cheng X.、Kim T. T.、Kanda T.、Hasegawa N.、Kitamura M.、Yoshimatsu K.、Kumigashira H.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 045112[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.045112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thickness-dependent magnetotransport properties of rocksalt NdO epitaxial thin films: observation of a ferromagnetic phase far above the Curie temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito Daichi、Oka Daichi、Kaminaga Kenichi、Kitamura Miho、Shiga Daisuke、Kumigashira Hiroshi、Fukumura Tomoteru
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 11 ページ: 12400～12405
  • DOI: 10.1039/d3tc02478d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative measurement of structural fluctuation at LaNiO3/LaAlO3 interfaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Nagai Kazuki、Anada Masato、Kowa Kazuhiro、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Tajiri Hiroo、Wakabayashi Yusuke
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 043604[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.043604
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel supercell compounds of layered Bi-Rh-O with p-type metallic conduction materialized as a thin film form (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohno M.、Fujita T. C.、Masutake Y.、Kumigashira H.、Kawasaki M.
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 11 ページ: 051107[1-5]
  • DOI: 10.1063/5.0147646
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oxygen on-site Coulomb energy in Pr1.3－xLa0.7CexCuO4 and Bi2Sr2CaCu2O8+δ and its relation with Heisenberg exchange (2023)
  • 著者名/発表者名: Chainani A.、Horio M.、Cheng C.-M.、Malterre D.、Sheshadri K.、Kobayashi M.、Horiba K.、Kumigashira H.、Mizokawa T.、Oura M.、Taguchi M.、Mori Y.、Takahashi A.、Konno T.、Ohgi T.、Sato H.、Adachi T.、Koike Y.、Mochiku T.、Hirata K.、Shin S.、Wu M. K.、Fujimori A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 195152[1-12]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.195152
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large Perpendicular Magnetic Anisotropy Induced by an Intersite Charge Transfer in Strained EuVOH Films (2023)
  • 著者名/発表者名: M.Namba, H.Takatsu, R.Mikita, Y.Sijia, K.Murayama, H.Li, R.Terada, C.Tassel, H.Ubukata, M.Ochi, R.Saez-Puche, E.P.Latasa, N.Ishimatsu, D.Shiga, H.Kumigashira, K.Kinjo, S.Kitagawa, K.Ishida, T.Terashima, K.Fujita, T.Mashiko, K.Yanagisawa, K.Kimoto, and H.Kageyama
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 21807～21816
  • DOI: 10.1021/jacs.3c04521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse-Perovskite Ba3BO (B = Si and Ge) as a High Performance Environmentally Benign Thermoelectric Material with Low Lattice Thermal Conductivity (2023)
  • 著者名/発表者名: He Xinyi、Kimura Shigeru、Katase Takayoshi、Tadano Terumasa、Matsuishi Satoru、Minohara Makoto、Hiramatsu Hidenori、Kumigashira Hiroshi、Hosono Hideo、Kamiya Toshio
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 11 ページ: 2307058[1-14]
  • DOI: 10.1002/advs.202307058
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Moriya Ayumi、Nakayama Kosuke、Kawakami Tappei、Maeda Kensaku、Tokuyama Atsuya、Souma Seigo、Chen Chaoyu、Avila Jose、Asensio Maria Carmen、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Fujiwara Kozo、Segawa Kouji、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 ページ: 023152[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.023152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-termination-dependent electronic states in Kagome superconductors AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) studied by micro-ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato Takemi、Li Yongkai、Liu Min、Nakayama Kosuke、Wang Zhiwei、Souma Seigo、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Yao Yugui、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 245143[1-15]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.245143
  • 査読あり
• [雑誌論文] Berry curvature contributions of kagome-lattice fragments in amorphous Fe-Sn thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Kohei、Kato Yasuyuki、Abe Hitoshi、Noguchi Shun、Shiogai Junichi、Niwa Yasuhiro、Kumigashira Hiroshi、Motome Yukitoshi、Tsukazaki Atsushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 3399[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39112-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual Surface States Associated with the PT-Symmetry Breaking and Antiferromagnetic Band Folding in NdSb (2023)
  • 著者名/発表者名: Honma Asuka、Takane Daichi、Souma Seigo、Wang Yongjian、Nakayama Kosuke、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Ando Yoichi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 115118
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.115118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switching of charge-density wave by carrier tuning in monolayer TiTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yanagizawa Koki、Sugawara Katsuaki、Kawakami Tappei、Ando Ryuichi、Yaegashi Ken、Nakayama Kosuke、Souma Seigo、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Takahashi Takashi、Sato Takafumi
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 7 ページ: 104002[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.104002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic topological insulator with selectively gapped Dirac cones (2023)
  • 著者名/発表者名: Honma A.、Takane D.、Souma S.、Yamauchi K.、Wang Y.、Nakayama K.、Sugawara K.、Kitamura M.、Horiba K.、Kumigashira H.、Tanaka K.、Kim T. K.、Cacho C.、Oguchi T.、Takahashi T.、Ando Yoichi、Sato T.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7396[1-8]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42782-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-dimensional heavy fermion in a monoatomic-layer Kondo lattice YbCu2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Takuto、Sugihara Hiroki、Chen Yitong、Yukawa Ryu、Ohtsubo Yoshiyuki、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Kimura Shin-ichi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7850[1-7]
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43662-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics and Data Driven Materials Research for Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures' (2024)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: The International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics and Data Driven Materials Research for Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] SrTi1-xVxO3量子井戸構造における強相関量子化状態の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 神田 龍彦、志賀 大亮、和田 亜里斗、早坂 亮太朗、増竹 悠紀、長谷川 直人、北村 未歩、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ,
• [学会発表] 放射光電子分光による(CrxV1－x)2O3エピタキシャル薄膜の電子状態 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西翔平, 志賀大亮，井上晴太郎，T. Tirasutt，早坂亮太朗，渡邉颯彦，小澤健一，吉松公平，組頭広志
  • 学会等名: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] VO2/W:VO2 (110)Rヘテロ構造における電子相転移の直接観測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 晴太郎, 志賀 大亮, 早坂 亮太朗, T. Tirasutt ,渡邉 颯彦，長谷川 直人，小澤 健一，組頭 広志
  • 学会等名: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 放射光計測に立脚した新原理モットトランジスタの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 学会等名: ワイドギャップ半導体 第11回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光電子分光によるSrVO3量子井戸の量子化条件の決定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神田 龍彦、志賀 大亮、和田 亜里斗、早坂 亮太朗、増竹 悠紀、長谷川 直人、北村 未歩、吉松 公平、組頭 広志
  • 学会等名: 2023年 第84回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Electronic structure of SrNbO3/SrTiO3nterface studied by synchrotron-radiation photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic structure of SrNbO3/SrTiO3 interface studied by synchrotron-radiation photoemission spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Hayasaka, T. Kanda, N. Hasegawa, Y. Masutake, A. Wada, M. Kitamura, D. Shiga, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Angle-Resolved Photoemission Study on Ti2O3 Thin Films (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Hasegawa, K. Yoshimatsu, D. Shiga, T. Kanda, S. Miyazaki, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE29)
  • 国際学会
• [学会発表] Angle-Resolved Photoemission Study on Ti2O3 Thin Films (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Hayasaka, T. Kanda, N. Hasegawa, Y. Masutake, A. Wada, M. Kitamura, D. Shiga, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Supercell Compounds of Layered Bi-Rh-O Films (2023)
  • 著者名/発表者名: "Y. Masutake,Daisuke Shiga, Tatsuhiko Kanda, Naoto Hasegawa, Ryotaro Hayasaka, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, Mizuki Ohno, Takahiro C. Fujita, Masashi Kawasaki,and Hiroshi Kumigashira"
  • 学会等名: The 7th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics and the 6th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Electronic Structure of Hole-Doped CrxV1－xO2 Epitaxial Films Studied by in situ Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Shiga, X. Cheng, T. T. Kim, T. Kanda, N. Hasegawa, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The 7th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantization condition of strongly correlated electrons in oxide nanostructures' (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhio Kanda, Daisuke Shiga, Asato Wada, Ryotaro Hayasaka, Yuuki Masutake, Naoto Hasegawa, Miho Kitamura, Kohei Yoshimatsu, and Hiroshi Kumigashira
  • 学会等名: Material Research Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Band Structure of Ti2O3 Thin Films determined by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Hasegawa, K. Yoshimatsu, D. Shiga, T. Kanda, S. Miyazaki, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • 学会等名: Material Research Meeting 2023 (MRM2023)
  • 国際学会
• [備考] 東北大学多元物質科学研究所 組頭研究室
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/kumigashira/html/