トポロジカル表面およびそのエッジ状態による電子・スピン輸送の研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25246025
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 修司 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (00228446)
• 研究分担者: 高山 あかり 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (70722338) ; 秋山 了太 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40633962)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / スピン・運動量ロッキング / フォトガルバニック効果 / ヘテロ界面 / ディラック・コーン

研究実績の概要

今年度の成果として以下の３つの発見があった。
(1) トポロジカル絶縁体表面における原子ステップでの表面キャリアの後方散乱の抑制の実証：トポロジカル表面状態では、スピンと運動量が常に直交するという性質がある（スピン・運動量ロッキング）ため、その電子は、スピン反転が起こらない限り、原子ステップなどによって後方散乱されにくいが、その効果を表面状態電気伝導の測定によって、直接的に示した。微傾斜基板上に成長させたBiTeやBiSe薄膜を用い、原子ステップを横切るときの電気抵抗を測定し、ステップでの電子波動関数の透過率が、非トポロジカル物質に比べて高いことがわかった。
(2) スピン分裂表面状態でのPhotogalvanic効果の発見：ラシュバ型表面をもつ物質やトポロジカル絶縁体などのスピン分裂した表面状態での「スピン・運動量ロッキング」効果を利用して、円偏光照射によってスピン偏極電流を励起し、それを検出することに成功した。試料としてBi(111)超薄膜および1/3原子層のBiが吸着したAg超薄膜Ag(111)を用いいた。
(3) トポロジカル絶縁体への近接磁場効果の解明：磁性体がトポロジカル絶縁体の表面電子状態に及ぼす影響を研究した。反強磁性絶縁体MnSeをトポロジカル絶縁体であるBiSeやBiTe上に成長させると、ディラックコーン状のトポロジカル表面状態のディラック点にエネルギーギャップが開くことを光電子分光法によって発見した。また、磁化率のex situ測定から界面において強磁性的性質を示すことが明らかになった。これは、ヘテロ接合界面ではMnとBiが結合して新たな合金相構造が形成されているためと解釈でき、実際、電子回折によって、その原子積層構造を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

27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

27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] Inst. Automation & Control Processes/Far Eastern Federal University/Vladivostok State Univ. Eco. & Serv.(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Inst. Automation & Control Processes/Far Eastern Federal University/Vladivostok State Univ. Eco. & Serv.
• [雑誌論文] Superconducting Calcium-Intercalated Bilayer Graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Ichinokura, K. Sugawara, A. Takayama, T. Takahashi, and S. Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 10 ページ: 2761-2765
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b07848
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of Quantum and Surface-State Effects in the Bulk Fermi Level Position of Ultrathin Bi films (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, T. Shirai, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, S. Hasegawa, and K. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 ページ: 106803-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.106803
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Two-dimensional superconductor with giant Rashba effect: One-atomic-layer Tl-Pb compound on Si(111) (2015)
  • 著者名/発表者名: A.V. Matetskiy, S. Ichinokura, L.V. Bondarenko, A.Y. Tupchaya, D.V. Gruznev, A.V. Zotov, A.A. Saranin, R. Hobara, A. Takayama, and S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 115 ページ: 147003-1～5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.147003
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct observation of a gap opening in topological interface states of MnSe/Bi2Se3 heterostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: A.V. Matetskiy, I. A. Kibirev, T. Hirahara, S. Hasegawa, A.V. Zotov, and A.A. Saranin
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 ページ: 091604-1～4
  • DOI: 10.1063/1.4930151
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ビスマス表面におけるスピン依存イオン散乱 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖, 平原徹, 酒井治, 長谷川修司, 鈴木拓
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 36 ページ: 408-411
  • DOI: 10.1380/jsssj.36.408
  • 査読あり
• [雑誌論文] 物理科学、この30年：表面物理学 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 雑誌名: パリティ 巻: 30 ページ: 14-16
• [学会発表] Charge/spin transport and superconductivity at Rashba spin-split surface states (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 23rd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM23)
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル(北海道ニセコ市)
  • 年月日: 2016-12-10 – 2016-12-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomic-Layer Superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: International Symposium on Two-Dimensional Layered Materials and Art
  • 発表場所: Marseille (France)
  • 年月日: 2016-03-23 – 2016-03-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 原子ステップをもつトポロジカル絶縁体のin situ輸送特性観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 福居直哉，保原麗，高山あかり，秋山了太，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] (BixSb1-x)2Te3における量子振動および量子コヒーレント輸送の観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 秋山了太，角田一樹，一ノ倉聖，木村昭夫，Konstantin Kokh，Oleg Tereshchenko，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Ca-インターカレートした二層グラフェンにおける超伝導 (2016)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖，菅原克明，高山あかり，高橋隆，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学(宮城県仙台市)
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Atomic-Layer Superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 16th Japan-Korea-Taiwan Workshop on Strongly Correlated Electron Systems
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-02-18 – 2016-02-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] in situ 電気伝導測定によるRashba系表面構造(Tl, Pb)/Si(111)の超伝導の観測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖，A.V. Matetskiy，L.V. Bondarenko，A.Y. Tupchaya，D.V. Gruznev，A.V. Zotov，保原麗，秋山了太，高山あかり，A.A. Saranin，長谷川修司
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-12-02
• [学会発表] 走査トンネルポテンショメトリ法による表面上の単一ステップでの抵抗測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村友謙, 芳野諒、保原麗, 長谷川修司, 平原徹
  • 学会等名: 2015年真空・表面科学合同講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-12-02
• [学会発表] Surface Transport of Topological and Non-topological Materials (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices (ALC'15)
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県松江市）
  • 年月日: 2015-10-24 – 2015-10-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 可視光レーザーを用いた表面ラシュバ系における光誘起電圧の円二色性：Bi表面およびBi吸着Ag表面 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石原大嵩，福居直哉，保原麗，高山あかり，秋山了太，平原徹，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 2015秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 4端子電気伝導測定によるMnX/Bi2X3(X=Se,Te)薄膜の輸送特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 久保高幸，中西亮介，高山あかり，福居直哉，保原麗，秋山了太，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 2015秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Rashba系表面構造(Tl, Pb)/Si(111)における二次元超伝導：in situ電気伝導測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 一ノ倉聖，A.V. Matetskiy，L.V. Bondarenko，A.Y. Tupchaya，D.V. Gruznev，A.V. Zotov，保原麗，秋山了太，高山あかり，A.A. Saranin，長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会 2015秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Charge/Spin Transport at Surfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 7th International Conference on Scanning Probe Spectroscopy and Related Methods (SPS'15)
  • 発表場所: Poznan ( Poland)
  • 年月日: 2015-06-22 – 2015-06-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface transport below 1 K (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: International Workshop on LEED and Related Techniques
  • 発表場所: Hannover (Germany)
  • 年月日: 2015-05-28 – 2015-05-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] トポロジカル物質のインパクト (2015)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面科学会中部支部・日本真空学会東海支部合同講演会
  • 発表場所: 名古屋工業大学(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2015-04-25 – 2015-04-25
  • 招待講演
• [備考] Hasegawa Research Laboratory
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp/