酸化物量子井戸構造を用いた強相関電子の量子化状態の研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25287095
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 組頭 広志 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00345092)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系 / 酸化物 / バンド構造 / 超構造 / フェルミオロジー / 量子化

研究実績の概要

本研究では、電子論的パラメータを制御した強相関酸化物量子井戸構造を設計・制御し、その量子化状態を角度分解光電子分光（ARPES）により直接設計することで、量子閉じ込めを受けた強相関電子の新奇な振る舞いを明らかにすることを目的としている。そのため、本年度は、下記の２つのテーマを遂行した。

○ SrVO3/SrTiO3量子井戸構造における量子化状態に特徴的な、「サブバンド（量子数）に依存した有効質量増大効果」について明らかにするために、精密な角度分解光電子分光とそのスペクトル解析を行った。その結果、この異常な質量増強が軌道選択的量子化に伴った電子状態の2次元から擬1次元への変化を反映したものであることを明らかにした。さらに、この軌道選択的量子化の特徴を用いることにより電子ー電子相関の強さを８倍程度まで制御可能であることを示した。

○ SrVO3/SrTiO3量子井戸構造における量子化状態で観測された「軌道選択的量子化状態」について知見を得るために、偏光依存の角度分解光電子分光装置とビームラインを整備した。本装置を用いて、軌道毎に分離した情報を得ることに成功した。これにより、軌道選択的量子化を軌道選択的に観測することが可能になった。

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

実験は問題なく遂行され、放射光ビームライン、角度分解光電子分光装置の調整にも多少の遅れがあるが、想定の範囲内である。本研究に必要な偏光依存ARPESデータを取得することが出来るようになったが、このデータ量が膨大なため、その解析、特に解析プログラムの整備に時間がかかっている。

今後の研究の推進方策

現在、偏光（垂直、水平、円）を切り替え可能なビームラインが稼働し初め、偏光依存のARPES測定が可能になる。これを用いて、軌道の幾何学的な配置を制御した酸化物量子井戸構造を作製し、その「軌道選択的」量子化状態を軌道毎に分離して特定する。これにより、より詳細な量子化状態に関する知見を得る。具体的には、１．面方位の異なる基板（(001)、(110)、(111)）に作製した面方位制御SrVO3量子井戸構造、２．eg電子をもつ伝導性酸化物LaNiO3を用いたeg系量子井戸構造、３．中間層を導入することで量子井戸構造自体の反転対称性を制御した強相関酸化物量子井戸構造、について実験を行う。また、得られた知見をSrTiO3やKTaO3表面で報告されている量子化状態と比較・検討することで、強相関酸化物の電子状態に関して普遍的な理解を得る。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していたヘリウムGM冷凍機を用いた試料回転機構では、試料の冷却に問題があることがわかり、２軸試料駆動機構付きクライオスタットの設計を見直した。Heフロー式の試料冷却機構を採用することにした。そのため、２軸試料駆動機構付きクライオスタットの予算執行を先送りした。

次年度使用額の使用計画

現在、２軸試料駆動機構付きクライオスタットをHeフロー式の試料冷却方式を採用し設計を進めている。なお、研究自体は現有の１軸試料駆動機構付きクライオスタットで可能であるが、ビームラインが本格稼働するH27年度６月までの導入を目指している。

研究成果

• [雑誌論文] Enhanced Electrical Transparency by Ultra-Thin LaAlO3 Insertion at Oxide Metal/Semiconductor Heterointerfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: akeaki Yajima, Makoto Minohara, Christopher Bell, Hiroshi Kumigashira, Masaharu Oshima, Harold Y. Hwang, and Yasuyuki Hikita
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 15 ページ: 1622-1626
  • DOI: 10.1021/nl504169m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Growth of Metallic TiH2 Thin Films by Pulsed-Laser Deposition (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, T. Suzuki, N. Tsuchimine, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Oshima, and A. Ohtomo
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 ページ: 035801[1-4]
  • DOI: 10.7567/APEX.8.035801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and magnetic properties of double-perovskite oxides La2MnFeO6 thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshimatsu, K. Nogami, K. Watarai, K. Horiba, H. Kumigashira, O. Sakata, T. Oshima, and A. Ohtomo
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 91 ページ: 054421[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.91.054421
• [雑誌論文] Bandwidth-controlled metal-insulator transition in epitaxial PrNiO3 ultrathin films induced by dimensional crossover (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Sakai, K. Yoshimatsu, M. Tamamitsu, K. Horiba, A. Fujimori, M. Oshima, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 104 ページ: 171609[1-4]
  • DOI: 10.1063/1.4874980
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thickness-dependent ferromagnetic metal-to-paramagnetic insulator transition in La0.6Sr0.4MnO3 thin films studied by x-ray magnetic circular dichroism (2014)
  • 著者名/発表者名: G. Shibata, K. Yoshimatsu, E. Sakai, V. R. Singh, V. K. Verma, K. Ishigami, T. Harano, T. Kadono, Y. Takeda, T. Okane, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Sawa, H. Kumigashira, M. Oshima, T. Koide, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 89 ページ: 235123
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.235123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orbital correlations and dimensional crossover in epitaxial Pr0.5Ca0.5MnO3/La0.5Sr0.5MnO3 superlattices (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Wadati, J. Okamoto, M. Garganourakis, V. Scagnoli, U. Staub, E. Sakai, H. Kumigashira, T. Sugiyama, E. Ikenaga, M. Nakamura, M. Kawasaki, and Y Tokura
  • 雑誌名: New J. Phys. 巻: 16 ページ: 073044 [1-10]
  • DOI: 10.1088/1367-2630/16/7/073044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoemission and DMFT study of electronic correlations in SrMoO3: effects of Hund’s rule coupling and possible plasmonic side-band (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Wadati, J. Mravlje, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, M. Oshima, T. Sugiyama, E. Ikenaga, A. Fujimori, A. Georges, A. Radetinac, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 205131[1-8]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.205131
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metallic conductivity in infinite-layer strontium iron oxide thin films reduced by calcium hydride (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, A. Chikamatsu, Y. Hirose, H. Kumigashira, T. Fukumura, and T. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 47 ページ: 135304[1-6]
  • DOI: 10.1088/0022-3727/47/13/135304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Structure and Photoelectrochemical Properties of an Ir-doped SrTiO3 Photocatalyst (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Kawasaki, R. Takahashi, K. Akagi, J. Yoshinobu, F. Komori, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Iwashina, A. Kudo, and M. Lippmaa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 118 ページ: 20222-20228
  • DOI: 10.1021/jp5062573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of TiO2-δ thin film by RF magnetron sputtering using oxygen radical and Ti-metal (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimazu, T. Okumura, E. Sakai, H. Kumigasira, M. Okawa, T. Saitoh, and T. Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JG01[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JG01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical conductivity of Sc-doped TiO2 thin film prepared by RF magnetron sputtering (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, T. Okumura, Y. Shimazu, E. Sakai, H. Kumigashira and T. Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JG03[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JG03
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure of V2O3 thin film prepared by RF magnetron sputtering using oxygen radical and V-metal (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimazu, T. Okumura, A. Shimada, K. Tanabe, K. Tokiwa, E. Sakai, H. Kumigasira and T. Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 06JG05[1-3]
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.06JG01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Persistent insulator to metal transition of a VO2 thin film by soft x-ray irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuji Muraoka, Hiroki Nagao, Shinsuke Katayama, Takanori Wakita, Masaaki Hirai, Takayoshi Yokoya, Hiroshi Kumigashira, and Masaharu Oshima
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 ページ: 05FB09[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.05FB09
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of band diagram for a p-n junction between Mott insulator LaMnO3 and band insulator Nb:SrTiO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, M. Kobayashi, E. Sakai, R. Takahashi, M. Lippmaa, K. Horiba, H. Fujioka, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 ページ: 061605[1-5]
  • DOI: 10.1063/1.4908570
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 元素戦略ビームラインBL-2Aにおける”Materials by design” (2015)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 学会等名: 第28回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス
  • 年月日: 2015-02-10 – 2015-02-12
  • 招待講演
• [学会発表] Unusual Behavior of the Subbands in Strongly-Correlated Oxide Quantum Well Structures (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: The 18th SANKEN International Symposium & The 13th SANKEN Nanotechnology Symposium
  • 発表場所: The Congres Convention Center, Osaka, Japan.
  • 年月日: 2014-12-10 – 2014-12-11
  • 招待講演
• [学会発表] Unusual Behavior of the Subbands in Strongly-Correlated Oxide Quantum Well Structures (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: CCMR2014 Collaborative Conference on Materials Research
  • 発表場所: Songdo Convensia, Incheon/Seoul, South Korea
  • 年月日: 2014-06-23 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [備考] 組頭研究室HP
  • URL: http://oxides.kek.jp/
• [備考] 半導体接合面バンドオフセットの任意制御に成功
  • URL: http://www2.kek.jp/imss/news/2015/topics/0410hetero/