顕微角度分解光電子分光で解明する極限トポロジカルエッジ状態

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04439
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
• 研究分担者: 笹川 崇男 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (30332597) ; 平山 元昭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (70761005)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• キーワード: 光電子分光 / レーザー / トポロジカル物性

研究実績の概要

トポロジカル物性物理学は、物質の持つ様々な対称性に基づく概念を出発点として、近年の実験的実証による後押しにより花開いた学問である。ディラック粒子、 ワイル粒子、マヨラナ粒子といった素粒子分野の研究対象であった粒子が固体内で観測し得ることから、固体物理を飛び越えた幅広い分野における科学者の注目を集めている。また、 スピントロニクスにトポロジカル物性を活用しようとの気運から、トポロジカル物性物理学は、基礎学問の枠を超えて展開する現在もっとも活気ある研究分野の一つである。トポロジカル状態は応用利用への期待も大きいため、解明できるか否かが今後の物性物理学の発展を左右する。しかし、そのブレークスルーと成り得る直接バンド観察は極めてチャレンジングである。それを克服するため連続波発振レーザーを導入し、それと組み合わせた光電子分光装置のエネルギー・運動量分解能を確かめた。連続波発振レーザーはスペースチャージ効果を無くすことができるため、集光しつつも高分解能測定を可能とする。またレーザー性能だけでなく、試料周りの電位安定性が測定分解能を左右する。蒸着Auを用いた分解能評価を繰り返すことで目的を達成した。通常絶縁体、弱いトポロジカル絶縁体、高次トポロジカル物質など、様々な物質のトポロジカル絶縁体の測定を行った。鉄系超伝導結晶の表面新規スピン偏極状態、磁気スキルミオン物質の電子構造の研究なども進め進展があった。

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

新規レーザーの導入を行ない、連続波発振レーザーならではの超高分解能測定が可能となった。連続波発振レーザーはスペースチャージ効果を無くすことができるため、集光しつつも高分解能測定を可能とする。またレーザー性能だけでなく、試料周りの電位安定性が測定分解能を左右する。蒸着Auを用いた分解能評価を繰り返すことで目的を達成した。並行して、鉄系超伝導のスピン偏極状態や、磁気スキルミオン物質の電子構造の解明など、本研究の目的達成に向けた装置開発および実験が順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

高次トポロジカル候補物質に於けるヒンジ電子構造の解明や、極低温で可能となるトポロジカル超伝導体のエッジ状態観測を行う。これらのトポロジカル相で発生するスピン流のパスは、結晶表面の構造的差異で変化し、理論的にも不確定性があるため、その解明には顕微分光による選別観察が求められる。また、顕微分光測定の強みを活かして、ファンデルワールス結晶の剥離試料や、トポロジカル薄膜を組み込んだ材料で発現が期待される新規のトポロジカル相を開拓する。近藤(代表)が装置開発及びARPES測定を行う。笹川(分担者)が有力候補物質の純良大型単結晶試料や薄膜試料の作成を行い、それらの検証及び解明を平山(分担者)による理論研究の協力のもと近藤(代表者)が直接バンド観察から行う。

研究成果

• [雑誌論文] Large anomalous Hall effect induced by weak ferromagnetism in the noncentrosymmetric antiferromagnet CoNb3S6 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Tanaka, Shota Okazaki, Kenta Kuroda, Ryo Noguchi, Yosuke Arai, Susumu Minami, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Viktor Kandyba, Mattia Cattelan, Alexei Barinov, Takayuki Muro, Takao Sasagawa, and Takeshi Kondo.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: L121102(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L121102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenta Kuroda, Koichiro Yaji, Ryo Noguchi, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Takeshi Kondo, and Fumio Komori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: L121106(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L121106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multipole polaron in the devil’s staircase of CeSb (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Arai, Kenta Kuroda, T. Nomoto, Z. H. Tin, S. Sakuragi, C. Bareille, S. Akebi, K. Kurokawa, Y. Kinoshita, W.-L. Zhang, S. Shin, M. Tokunaga, H. Kitazawa, Y. Haga, H. S. Suzuki, S. Miyasaka, S. Tajima, K. Iwasa, R. Arita and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 21 ページ: 410-415
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01188-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Selective observation of surface and bulk bands in polar WTe2 by laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuxuan Wan, Lihai Wang, Kenta Kuroda, Peng Zhang, Keisuke Koshiishi, Masahiro Suzuki, Jaewook Kim, Ryo Noguchi, C_dric Bareille, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Sang-Wook Cheong, Atsushi Fujimori, and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 085421(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.085421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chun Lin, Masayuki Ochi, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Masahito Sakoda, Atsushi Nomura, Masakatsu Tsubota, Peng Zhang, Cedric Bareille, Kifu Kurokawa, Yosuke Arai, Kaishu Kawaguchi, Hiroaki Tanaka, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Shik Shin, Ryotaro Arita, Satoshi Tanda and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 20 ページ: 1093-1099
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01004-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scaling law for Rashba-type spin splitting in quantum-well films (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Mitsuaki Kawamura, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Takushi Iimori, Shik Shin, Fumio Komori, Taisuke Ozaki, and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: L180409(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.L180409
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] The electronic states of layered phosphides EuP3 and SrP3 studied by ARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: 万宇軒, 黒田健太, C_dric Bareille, 石田行章, メイヨーアレックス浩, 高橋英史, Mohammad Saeed Bahramy, Chun Lin, 新井陽介, 田中宏明, Yuyang Dong, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, 室隆桂之, 石渡晋太郎, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極したBi(111)表面状態の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 福島優斗, 川口海周, 黒田健太A, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎B, 辛埴C, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ARPESで解明する少数キャリア半金属CeAsの電子状態の温度依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 平井大悟郎, 片山和郷, 筒井智嗣, 田中宏明, 有田将史, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光で解明する多層型銅酸化物超伝導体の反強磁性秩序と超伝導状態の関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 大久保卓, Z. Yang, 野村肇宏, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 鶴川智一, 菊川樹, C. Lin, 黒田健太, T. K. Kim, M. Wattson, C. Cacho, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Electronic structures of Gd-based skyrmion materials revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuyang Dong, Masayuki Ochi, Yosuke Arai, Kenta Kuroda, Natsumi Tanaka, Ryu Nakachi, Yuxuan Wan, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Matthew Watson, Cephise Cacho, Takayuki Muro, Ryuji Higashinaka, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, Takeshi Kondo
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Electronic structure of α-EuP3 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: 万宇軒, 黒田健太, C_dric Bareille, 石田行章, メイヨーアレックス浩, 高橋英史, Mohammad Saeed Bahramy, Chun Lin, 新井陽介, 田中宏明, Yuyang Dong, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, 室隆桂之, 石渡晋太郎, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 高繰り返し 1-MHz 遠紫外 10.7-eV レーザーを取り入れた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 川口海周, 福島優斗, 趙智剛, 谷峻太郎, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 野口亮, 矢治光一郎, 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2021年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置におけるソフトウェア開発：デジタル化・オンライン化に向けた取り組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極電子状態の光励起ダイナミクスの観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] ARPES・非弾性X線散乱・レーザーラマン分光で研究する少数キャリア半金属CeAsの結晶場-フォノン結合 (2021)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 筒井智嗣, 平井大悟郎, 片山和郷, 野本拓也, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太郎, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解電子分光による非占有電子状態の観測とチャープ調整による高時間分解能化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 笹川崇男, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Strain control of topological phases in quasi-1D stacked materials visualized by ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Korean Physical Society meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of small Fermi pockets in high-Tc cuprates (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Advanced Light Source workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological superconductivity emerging on the surface of iron-based superconductors (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: International Workshop on Recent Progress in Superconductivity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fermi pockets emerging in clean CuO2 planes of high-Tc cuprates (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 1st Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Small Fermi pockets protected in extremely clean CuO2 layers of high-Tc cuprates (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: The 12th International Conference on Advanced Materials and Devices
  • 国際学会 / 招待講演