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

2015 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 – 2017-03-31
• 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ーを制御した強相関酸化物量子井戸構造を設計・作製し、量子化状態を角度分解光電子分光（ARPES）により直接決定することで、量子閉じ込めを受けた強相関電子の奇妙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３つのテーマを遂行した。
○ 伝導性酸化物SrVO3と酸化物半導体SrTiO3で構成された量子井戸構造においては、伝導層（SrVO3層）を極限まで薄くすると臨界膜厚2～3 MLで金属からモット絶縁体への転移が見られる。この転移近傍における電子状態をARPESで調べた結果、臨界膜厚近傍においてフェルミ液体から非フェルミ液体へのクロスオーバーが生じていることが明らかになった。
○ SrVO3薄膜を面方位の異なるSrTiO3(001)面と(110)面に積層することで、面方位の異なる量子井戸を作製し、そのARPES測定を行った。その結果、強相関酸化物量子井戸構造で見られる軌道選択的量子化現象が(001)面と(110)面とで異なった振る舞いを示すことを明らかにした。
○ 巨大磁気抵抗効果を示すLa0.6Sr0.4MnO3薄膜についてARPESを行い、フェルミ準位近傍のバンド構造にキンクが等方的に存在することを明らかにした。また、詳細な解析の結果、電子とヤンテラーフォノンとの強い相互作用がLa0.6Sr0.4MnO3の異常物性解明の鍵であることを明らかにした。

また、H27年度５月から新しいビームラインBL2A MUSASHIが稼働し始め、偏光（垂直、水平、右円、左円）を任意に変えたARPES測定が可能になった。これにより、V 3d状態の量子化状態を軌道毎に分離して決定出来るようになった。

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

放射光ビームラインの立ち上げ、およびそれを用いた偏光依存角度分解光電子分光実験はおおむね問題なく遂行されている。ただし、角度分解光電子分光装置に設置するマニュピレータの設計に遅れが生じたため、偏光依存ARPESのテーマに関する遅れが見られる。そのため、基金をH28年度に繰り越し、H28年度も下記の残されたテーマを遂行する予定である。

本研究で得た偏光依存ARPESデータが膨大なため、その解析プログラムを整備に時間がかかってしまったため、遅れが生じた部分があるが、想定の範囲内である。

今後の研究の推進方策

（今後の推進方策）現在、偏光（垂直、水平、右円、左円）を切り替え可能なビームラインが稼働し始め、偏光依存のARPES測定が可能になったため、必要だが膨大なデータが取得されている。このデータを効率よく整理・解析するために、測定系と連動した解析プログラムを整備しつつ、残されたテーマを遂行する。具体的には、ARPESデータの解析プログラムの開発、および膜厚依存・偏光依存などのルーチン測定データの解析スキームを構築することで強相関電子の量子化状態の研究速度を向上させる。これにより、SrVO3/SrTiO3/SrVO3二重量子井戸構造における量子化状態の干渉についての研究を遂行する。また、これらの知見を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、強相関電子の量子化に関する学理構築を行う。

次年度使用額が生じた理由

H27年度末にビームラインの調整とARPES装置の改良が一段落し、ようやく高輝度放射光を用いた偏光依存ARPESが可能になった。それと同時に、ARPESデータの高速解析という新たな問題が生じている。そのため、ARPESデータを効率よく整理・解析するために、Ｈ28年度においても測定系と連動した測定系および解析プログラムを整備・調整しつつ、残されたテーマを遂行する必要が生じた。

次年度使用額の使用計画

残されたテーマである、「SrVO3/SrTiO3/SrVO3二重量子井戸構造における量子化状態の干渉についての研究」を遂行するための研究経費と、ARPES解析プラットホーム構築のための物品購入費用として使用する。

研究成果

• [国際共同研究] パリ南大学/CNRS/Synchrotron SOLEIL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: パリ南大学/CNRS/Synchrotron SOLEIL
  • 他の機関数: 2
• [雑誌論文] Experimental and theoretical investigation of electronic structure of SrFeO3-xFx epitaxial thin films prepared via topotactic reaction (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Katayama, Akira Chikamatsu, Hideyuki Kamisaka, Hiroshi Kumigashira, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 9 ページ: 025801[1-4]
  • DOI: 10.7567/APEX.9.025801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-ion mixed conduction of BaCe0.90Y0.10O3-d thin film generated by Ru substitution (2016)
  • 著者名/発表者名: Masanori Ochi, Takashi Tsuchiya, Shohei Yamaguchi, Takaaki Suetsugu, Naoya Suzuki, Masaki Kobayashi, Makoto Minohara, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 034705[1-5]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.034705
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Isotropic Kink and Quasiparticle Excitations in the Three-Dimensional Perovskite Manganite La0.6Sr0.4MnO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Horiba, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, M. Minohara, E. Sakai, M. Kobayashi, A. Fujimori, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 116 ページ: 076401[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.076401
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spatial distribution of transferred charges across the heterointerface between perovskite transition metal oxides LaNiO3 and LaMnO (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, T. Mitsuhashi, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 108 ページ: 111603[1-5]
  • DOI: 10.1063/1.4944418
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Origin of the Anomalous Mass Renormalization in Metallic Quantum Well States of Strongly Correlated Oxide SrVO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, K. Yoshimatsu, E. Sakai, M. Kitamura, K. Horiba, A. Fujimori, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 ページ: 076801[1-5]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.076801
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Controlling band alignments by artificial interface dipoles at perovskite heterointerfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yajima, Y. Hikita, M. Minohara, C. Bell, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, D. A. Muller, H. Kumigashira, M. Oshima, and H. Y. Hwang
  • 雑誌名: Nat. Commn. 巻: 6 ページ: 6759[1-5]
  • DOI: 10.1038/ncomms7759
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Surface-Termination-Dependent Electron Tunneling in Ferroelectric Junctions (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Yamada, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Kobayashi, T. Nagai, Y. Toyosaki, H. Kumigashira, and A. Sawa
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: 25 ページ: 2708-2714
  • DOI: 10.1002/adfm.201500371
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of Cr substitution on the magnetic and transport properties and electronic states of SrRuO3 epitaxial thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: Kaori Kurita, Akira Chikamatsu, Kei Shigematsu, Tsukasa Katayama, Hiroshi Kumigashira, Tomoteru Fukumura, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 115153[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.115153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-glass behaviors in carrier polarity controlled Fe3-xTixO4 semiconductor thin films (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Yamahara, M. Seki, M. Adachi, M. Takahashi, H. Nasu, K. Horiba, H. Kumigashira, and H. Tabata
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 118 ページ: 063905[1-7]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4928408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Structure of Ti1-xFexO2-d Thin Film with Oxygen Vacancies Probed by Soft-X-Ray Spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Usui, S. Yamaguchi, N. Suzuki, Y. Shimazu, T. Tsuchiya, E. Sakai, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, and T. Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 06FJ07[1-4]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.54.06FJ07
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Metal-Insulator transition of c-axis controlled V2O3 thin film (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimazu, T. Okumura, T. Tsuchiya, A. Shimada, K. Tanabe, K. Tokiwa, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, and T. Higuchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 064701[1-5]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.064701
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic Structure and Oxygen Ion Conductivity of As-Deposited Ce0.90Sm0.10O2-δ Thin Film Prepared by RF Magnetron Sputtering (2015)
  • 著者名/発表者名: Shohei Yamaguchi, Yuji Tasaki, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 06FJ04[1-5]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.54.06FJ04
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structure for b-axis orientated of VO2 thin film with mixed-valentce states proved by soft X-ray spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Suetsugu, Yuichi Shimazu, Masaki Kobayashi, Enju Sakai, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 064715
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.064715
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hole-ion Mixed Conduction of Orientation-Controlled BaPrO3-δ Thin Film with Mixed Valence States (2015)
  • 著者名/発表者名: Tohru Higuchi, Asuka Oda, Takashi Tsuchiya, Takaaki Suetsugu, Naoya Suzuki, Shohei Yamaguchi, Makoto Minohara, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, and Hiroshi Kumigashira
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 84 ページ: 114708[1-5]
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.84.114708
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quadratic Fermi Node in a 3D Strongly Correlated Semimetal (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, M. Nakayama, R. Chen, J.J. Ishikawa, E.-G. Moon, T. Yamamoto, Y. Ota, W. Malaeb, H. Kanai, Y. Nakashima, Y. Ishida, R. Yoshida, H. Yamamoto, M. Matsunami, S. Kimura, N. Inami, K. Ono, H. Kumigashira, S. Nakatsuji, L. Balents, and S. Shin
  • 雑誌名: Nat. Comnun. 巻: 6 ページ: 10042[1-8]
  • DOI: 10.1038/ncomms10042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] SrVO3(110)薄膜のin situ ARPESにおけるk⊥ broadeningの効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 三橋太一，簔原誠人，湯川龍，北村未歩，堀場弘司，小林正起，組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会（2016年）
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] in situ角度分解光電子分光法によるAnatase-TiO2(001)表面の2次元電子液体発現機構の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 湯川龍，簔原誠人，三橋太一，北村未歩，小林正起，堀場弘司，組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会（2016年）
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 強相関金属酸化物SrVO3量子井戸における金属-絶縁体転移近傍のフェルミ液体破綻 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林正起，吉松公平，三橋太一，坂井延寿，北村未歩，湯川龍，簔原誠人，藤森淳，堀場弘司，組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会（2016年）
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] ペロブスカイト酸化物LaNiO3/LaMnO3へテロ界面における電荷移動現象 (2016)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩，堀場弘司，小林正起，坂井延寿，簔原誠人，三橋太一，藤森淳，藤岡洋，組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会（2016年）
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] 面方位制御La1/3Sr2/3FeO3薄膜における電荷不均化の膜厚依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 簔原誠人、北村未歩、和達大樹、中尾裕則、熊井玲児、村上洋一、組頭広志
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Novel two-dimensional electron liquid states in quantum well structures of strongly correlated oxides (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: BIT’s 2nd Annual World Congress of Smart Materials 2016
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2016-03-04 – 2016-03-07
  • 招待講演
• [学会発表] ペロブスカイト酸化物LaMnO3/LaNiO3へテロ界面における電荷移動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 北村未歩、堀場弘司、小林正起、坂井延寿、簔原誠人、三橋太一、藤森淳、藤岡洋、組頭広志
  • 学会等名: 第29回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] 強相関酸化物SrVO3量子井戸状態の金属絶縁体転移近傍における振る舞い (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林正起、吉松公平、三橋太一、坂井延寿、北村未歩、湯川龍、簔原 誠人、藤森淳、堀場弘司、組頭広志
  • 学会等名: 第29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: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] ペロブスカイト型遷移金属酸化物SrVO3(110)薄膜の偏光依存ARPES (2016)
  • 著者名/発表者名: 三橋太一、簔原誠人、北村未歩、坂井延寿、堀場弘司、吉松公平、藤森淳、小林正起、組頭広志
  • 学会等名: 第29回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] 終端面制御したLaFeO3/Nb:SrTiO3ヘテロ接合界面の電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 簔原誠人、北村未歩、三橋太一、小林正起、堀場弘司、組頭広志
  • 学会等名: 第29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: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
• [学会発表] Novel two-dimensional electron liquid states in quantum well structures of strongly correlated oxides (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: CEMS Topical Meeting on Oxide Interfaces 2015
  • 発表場所: Okochi Hall, RIKEN, Wako Saitama, Japan
  • 年月日: 2015-11-05 – 2015-11-06
  • 招待講演
• [学会発表] Synchrotron-Radiation Analysis of 2D Electrides (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: STAC-9&TOEO-8：The 9th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics (STAC-9)
  • 発表場所: Epocal Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki, Japan
  • 年月日: 2015-10-19 – 2015-10-21
  • 招待講演
• [学会発表] Origin of the Anomalous Mass Renormalization in Metallic Quantum Well States of Correlated Oxide SrVO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, K. Yoshimatsu , E. Sakai , M. Kitamura ,K. Horiba, A. Fujimori, and H. Kumigashira
  • 学会等名: The 9th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
  • 発表場所: Epocal Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki, Japan
  • 年月日: 2015-10-19 – 2015-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] Charge transfer at the heterointerface between perovskite oxides LaNiO3 and LaMnO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, E. Sakai, M. Minohara, T. Mitsuhashi, A. Fujimori, H. Fujioka, and H. Kumigashira
  • 学会等名: 22nd International Workshop on Oxide Electronics
  • 発表場所: College de France, Paris, France
  • 年月日: 2015-10-07 – 2015-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] Kink and quasiparticle excitations in La0.6Sr0.4MnO3 thin films studied by in situ angle-resolved photoemission spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Horiba, M. Kitamura, K. Yoshimatsu, M. Minohara, E. Sakai, M. Kobayashi, A. Fujimori, and H. Kumigashira
  • 学会等名: International Conference on Electron Spectroscopy and Structure
  • 発表場所: Stony Brook, New York
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of the Anomalous Mass Renormalization in Metallic Quantum Well States of Correlated Oxide SrVO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, K. Yoshimatsu , E. Sakai , M. Kitamura ,K. Horiba, A. Fujimori , H. Kumigashira
  • 学会等名: International Conference on Electron Spectroscopy and Structure
  • 発表場所: Stony Brook, New York, US
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization dependent angle-resolved photoemission study on the (110) surface of SrVO3 films (2015)
  • 著者名/発表者名: T.Mitsuhashi, M, Minohara, M. Kitamura, R. Yukawa, E. Sakai, K . Horiba, K. Yoshimatsu, A. Fujimori, M . Kobayashi, and H . Kumigashira
  • 学会等名: International Conference on Electron Spectroscopy and Structure
  • 発表場所: Stony Brook University, Brookhaven, New York, US
  • 年月日: 2015-09-28 – 2015-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] 終端面制御したLaFeO3/Nb:SrTiO3ヘテロ接合界面の電子状態 (2015)
  • 著者名/発表者名: 簑原 誠人、北村 未歩、三橋 太一、小林 正起、堀場 弘司、組頭 広志
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Origin of the Anomalous Mass Renormalization in Metallic Quantum Well States of Correlated Oxide SrVO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, K. Yoshimatsu , E. Sakai , M. Kitamura ,K. Horiba, A. Fujimori , H. Kumigashira
  • 学会等名: French Physical Society
  • 発表場所: Strasbourg, France
  • 年月日: 2015-08-24 – 2015-08-28
  • 国際学会
• [学会発表] Observation and control of novel quantum phenomena in artificial structures of strongly correlated oxides; “Materials by design” using synchrotron-radiation analysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: SRI2015：12th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation
  • 発表場所: Marriott Marquis, New York, US
  • 年月日: 2015-07-06 – 2015-07-10
  • 招待講演
• [学会発表] Materials by design” using synchrotron analysis: Application to oxide quantum well structures (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi KUMIGASHIRA
  • 学会等名: ICMAT2015 & IUMRS-ICA2015：8th International Conference on Materials for Advanced Technologies of The Materials Research Society of Singapore & 16th IUMRS ; International Conference in Asia
  • 発表場所: Suntec Singapore, Singapore
  • 年月日: 2015-06-28 – 2015-07-03
  • 招待講演
• [備考] 組頭研究室HP
  • URL: http://oxides.kek.jp/
• [備考] 物構研トピックス 3,2,1! で重たくなる電子
  • URL: http://www2.kek.jp/imss/news/2015/topics/0928SrVO3/index.html