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

2022 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

新しく提案されるトポロジカル量子相では要求される実験条件が厳しさを増し、その観察には極限技術が必要となってきた。その代表例が「高次トポロジカルエッジ状態」「ワイル磁性電子状態」「マヨラナ励起状態」である。これら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。これらは装置開発を成功させる上で最重要となる項目であるが、計画通りの満足の行く性能が確かめられている。それを通じて整備された装置を用いて、様々な形態のトポロジカル状態を測定している。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、１次元鎖の積層でトポロジカル相をデザインするこれまでの発展研究として、よりギャップサイズが大きく安定化を実現した新たなトポロジカル絶縁体の測定を行った。また、鉄系超伝導結晶の表面に新規スピン偏極状態を見出すなど、レーザー光電子分光の特徴となる高分解能測定を活かした実験を行った。磁気スキルミオン物質の電子構造においても一連の試料を用いた系統的な測定から、理論とも整合性の良い結果が得られている。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による新規トポロジカル相の開拓研究を進めるためバキュームケースを活用した試料準備及び光電子分光実験も実施した。

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

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。連続波発振レーザーの導入が終わり、それを活用したビームラインの整備が着実に進んでいる。パルス性の強いレーザーとは異なり、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。並行して、トポロジカル物性の開拓を進めており、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

整備された装置を用いて、去年度に引き続き、様々な形態のトポロジカルエッジ状態を測定する。特に、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] Direct Observation of the Topological Surface State in the Topological Superconductor 2M-WS2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Soohyun Cho, Soonsang Huh, Yuqiang Fang, Chenqiang Hua, Hua Bai, Zhicheng Jiang, Zhengtai Liu, Jishan Liu, Zhenhua Chen, Yuto Fukushima, Ayumi Harasawa, Kaishu Kawaguchi, Shik Shin, Takeshi Kondo, Yunhao Lu, Gang Mu, Fuqiang Huang, and Dawei Shen.
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 22 ページ: 8827-8834
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02372
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coexistence of Strong and Weak Topological Orders in a Quasi-One-Dimensional Material (2022)
  • 著者名/発表者名: De-Yang Wang, Qi Jiang, Kenta Kuroda, Kaishu Kawaguchi, Ayumi Harasawa, Koichiro Yaji, Arthur Ernst, Hao-Ji Qian, Wen-Jing Liu, He-Ming Zha, Zhi-Cheng Jiang, Ni Ma, Hong-Ping Mei, Ang Li, Takeshi Kondo, Shan Qiao, and Mao Ye.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 ページ: 146401(1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.146401
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hongyun Zhang, Tommaso Pincelli, Chris Jozwiak, Takeshi Kondo, Ralph Ernstorfer, Takafumi Sato, and Shuyun Zhou.
  • 雑誌名: Nature Reviews Methods Primers 巻: 2 ページ: 54(1-22)
  • DOI: 10.1038/s43586-022-00133-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 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] 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
• [学会発表] 少数キャリア半金属 CeX における強相関電子状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 筒井智嗣, 田中宏明, Yuyang Dong, 岩田拓万, 片山和郷, 水上雄太, 平井大悟郎, 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2023年春季大会
• [学会発表] レーザースピン ARPES から解明するトポロジカル絶縁体 Bi2Te3 薄膜におけるスピン偏極電子状態制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 森亮, 福島優斗, 八田振一郎, 田中宏明, 原沢あゆみ, 有賀哲也, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] AB積層結晶の表面近傍電子状態におけるらせん対称性の破れ (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 岡崎尚太, 小林賢, 福島優斗, 新井陽介, 飯盛拓嗣, Mikk Lippmaa, 山神光平, 小谷佳範, 小森文夫, 黒田健太, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] オゾンアニールでキャリア量制御したBi2223における電子構造のレーザーARPESによるその場観察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤圭, 國定聡, 山口隼平, 黒川輝風, 黒田健太, 新井陽介, 合戸洸平, 渡辺孝夫, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光を用いてTN以上の常磁性状態で観察する多層型銅酸化物超伝導体の電子構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 國定聡, 磯野隼佑, 大久保卓, 酒井志朗, T. K. Kim, M. Wattson, C. Cacho, 橋本信, Donghui Lu, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ARPES で観察する擬一次元積層物質におけるトポロジカル相の歪み制御とナノテラスビームラインでの 応用研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: ナノテラス ARPES シンポジウム ナノ集光で拓くサイエンスの新展開
  • 招待講演
• [学会発表] 角度分解光電子分光を用いた量子物質研究の展望 (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 日本放射光学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Design and Control of Topological Phases in Quasi-1D Stacked Materials Visualized by ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Workshop: Quasi-One-Dimensional Topological Quantum Materials _Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future
  • 国際学会 / 招待講演
• [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強結合超伝導状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 大久保卓, A. Yang, 野村肇宏, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 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2022年秋季大会
• [学会発表] Relationship between electronic structure and magnetism of Gd-based skyrmion materials studied by ARPES (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, Timur Kim, 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2022年秋季大会
• [学会発表] 多層型銅酸化物高温超伝導体における強結合超伝導状態の可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 基研研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」
  • 招待講演
• [学会発表] Observation of multipole polaron and Devil’s staircase transition of the electronic structure in cerium monopnictide (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Integrated Spectroscopy for Strong Electron Correlation -Theory, Computation and Experiment
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unveiling doped Mott states of high-Tc cuprate superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unveiling doped Mott states of high-Tc cuprate superconductors with disorder removed (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 2022 RCQM Workshop on Strange Metals and Emergent Phases in Materials and Structures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Material design with the van der Waals stacking of bismuth- halide chains realizing a higher-order topological insulator (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: IBS-CALDES Science Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 小さなフェルミポケット: 多層系だからこそ見えた銅酸化物高温超伝導体の本質 (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] APREP studies unveiling doped Mott states of high-Tc cuprate superconductors with disorder removed (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: International workshop on Microscopic Properties of Quantum Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Doped Mott states in clean CuO2 planes of high-Tc cuprate (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: M2S 2022 - 13th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological phase and Devil’s staircase transition of the electronic structures in cerium monopnictides (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: International Workshop on Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Small Fermi pockets emerging in clean CuO2 planes of high-Tc cuprates (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: CIFAR program
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation of small Fermi pockets in extremely clean CuO2 layers of high-Tc cuprates (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: OPTICS and PHOTONICS International Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation of small Fermi pockets in extremely clean CuO2 layers of high-Tc cuprates (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: Physics seminar in collaborative research center: the Karlsruhe Institute of Technology
  • 国際学会 / 招待講演