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

2016 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: 強相関エレクトロニクス / 量子井戸構造 / 角度分解光電子分光 / 強相関電子系 / 機能性酸化物 / フェルミオロジー / バンド構造 / 酸化物エレクトロニクス

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、その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。

H26年度から偏光（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測定が可能になっている。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が、取得された膨大なデータを効率よく整理・解析するために、本年度は測定系と連動した解析プログラムを整備した。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た。また、偏光可変ARPES測定用の新型マニュピレータを設計・作製しARPES装置に組み込むことで、広い波数空間の測定が可能な偏光依存ARPES装置を完成させた。

本年度は、これらの測定装置を用いて、H27年度に遂行できなかった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した。その結果、SrTiO3絶縁バリアー層で隔てられたSrVO3金属量子井戸内の量子化状態がお互いに干渉している様子を軌道毎に分離して観測することに成功した。また、この干渉効果はSrVO3の量子化準位位置とSrTiO3絶縁バリアー層の厚さにより制御できることを見いだした。さらに、これらの実験結果がバンド計算の結果とよい一致を示すこと、つまり量子干渉効果により説明できることを明らかにした。これにより、二重量子井戸構造を用いた強相関電子の波動関数の設計指針を確立した。

現在までの達成度 (段落)

28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

28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] パリ南大学/SOLEIL放射光施設(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: パリ南大学/SOLEIL放射光施設
• [国際共同研究] フランクフルト大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: フランクフルト大学
• [雑誌論文] Ce 4f electronic states of CeO1-xFxBiS2 studied by soft X-ray photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Wakita, K. Terashima, T. Hamada, H. Fujiwara, M. Minohara, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, G. Kutluk, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, S. Demura, H. Okazaki, Y. Takano, Y. Mizuguchi, O. Miura, K. Okada, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 085109[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.085109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac Fermions in Borophene (2017)
  • 著者名/発表者名: Baojie Feng, Osamu Sugino, Ro-Ya Liu, Jin Zhang, Ryu Yukawa, Mitsuaki Kawamura, Takushi Iimori, Howon Kim, Yukio Hasegawa, Hui Li, Lan Chen, Kehui Wu, Hiroshi Kumigashira, Fumio Komori, Tai-Chang Chiang, Sheng Meng, Iwao Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 118 ページ: 096401[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.096401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlayer states arising from anionic electrons in the honeycomb lattice-based compounds AeAlSi (Ae = Ca, Sr, Ba) (2017)
  • 著者名/発表者名: Yangfan Lu, Tomofumi Tada, Yoshitake Toda, Shigenori Ueda, Jiazhen Wu, Jiang Li, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Yaoqing Zhang, and Hideo Hosono
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 125117[1-9]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.125117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resonant Photoemission and X-ray Absorption Spectroscopies of Lithiated Magnetite Thin Film (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tsuchiya, Kinya Kawamura, Wataru Namiki, Shoto Furuichi, Makoto Takayanagi, Makoto Minohara, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuya Terabe, Tohru Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 56 ページ: 04CK01[1-5]
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.04CK01
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reversible Change in Resistance of Perovskite Nickelate NdNiO3 Thin Films Induced by Fluorine Substitution (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Onozuka, Akira Chikamatsu, Tsukasa Katayama, Yasushi Hirose, Isao Harayama, Daiichiro Sekiba, Eiji Ikenaga, Makoto Minohara, Hiroshi Kumigashira, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 10882-10887
  • DOI: 10.1021/acsami.7b00855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of k⊥-broadening on ARPES spectra of the (110) and (001) surfaces of SrVO3 films (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Mitsuhashi, M. Minohara, R. Yukawa, M. Kitamura, K. Horiba, M. Kobayashi, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 125148[1-8]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.125148
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thickness-dependent physical properties of La1/3Sr2/3FeO3 thin films grown on SrTiO3 (001) and (111) substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Minohara, Miho Kitamura, Hiroki Wadati, Hironori Nakao, Reiji Kumai, Youichi Murakami, and Hiroshi Kumigashira
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 120 ページ: 025303[1-6]
  • DOI: 10.1063/1.4958670
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Correlated electronic states of SrVO3 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshida, M. Kobayashi, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, and A. Fujimori
  • 雑誌名: J. Electron Spectr. Rel. Phenom. 巻: 208 ページ: 11-16
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2015.11.012
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Phonon-dressed two-dimensional carriers on the ZnO surface (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Yukawa, K. Ozawa, S. Yamamoto, H. Iwasawa, K. Shimada, E. F. Schwier, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, H. Namatame, M. Taniguchi, and I. Matsuda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 94 ページ: 165313[1-5]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.165313
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tailoring Photovoltage Response at SrRuO3/SrTiO3 Heterostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryu Yukawa, Susumu Yamamoto, Kazuma Akikubo, Kaori Takeuchi, Kenichi Ozawa, Hiroshi Kumigashira, and Iwao Matsuda
  • 雑誌名: Adv. Mater. Interf. 巻: 3 ページ: 1600527[1-5]
  • DOI: 10.1002/admi.201600527
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hubbard band or oxygen vacancy states in the correlated electron metal SrVO3? (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Backes, T. C. Rodel, F. Fortuna, E. Frantzeskakis, P. Le Fevre, F. Bertran, M. Kobayashi, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, R. Saint-Martin, A. Fouchet, B. Berini, Y. Dumont, A. J. Kim, F. Lechermann, H. O. Jeschke, M. J. Rozenberg, R. Valenti, and A. F. Santander-Syro
  • 雑誌名: Phys. Rev. B. 巻: 94 ページ: 241110R[1-7]
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.241110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoelectrochemical water splitting enhanced by self-assembled metalnanopillars embedded in an oxide semiconductor photoelectrode (2016)
  • 著者名/発表者名: Seiji Kawasaki, Ryota Takahashi, Takahisa Yamamoto, Masaki Kobayashi, Hiroshi Kumigashira, Jun Yoshinobu, Fumio Komori, Akihiko Kudo, and Mikk Lippmaa
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 11818[1-6]
  • DOI: 10.1038/ncomms11818
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial synthesis and physical properties of double-perovskite oxide Sr2CoRuO6 thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Watarai, K. Yoshimatsu, K. Horiba, H. Kumigashira, O. Sakata, and A. Ohtomo
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter. 巻: 28 ページ: 436005[1-7]
  • DOI: 10.1088/0953-8984/28/43/436005
  • 査読あり
• [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] Epitaxial growth and electronic structure of oxyhydride SrVO2H thin films (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, A. Chikamatsu, K. Yamada, K. Shigematsu, T. Onozuka, M. Minohara, H. Kumigashira, E. Ikenaga, and T. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 120 ページ: 085305[1-5]
  • DOI: 10.1063/1.4961446
  • 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] Electrical and structural properties of BaCe0.85Ru0.05Y0.10O3-d thin film prepared by RF magnetron sputtering (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: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 06GJ02[1-5]
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.06GJ02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structure of c-axis controlled α-Fe2O3 thin film probed by soft-X-ray spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Kinya Kawamura, Naoya Suzuki, Takashi Tsuchiya, Shohei Yamaguchi, Masanori Ochi, Takaaki Suetsugu, Makoto Minohara, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 06GJ04[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.06GJ04
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electrical and structural properties of TiO2-d; thin film with oxygen vacancies prepared by RF magnetron sputtering using oxygen radical (2016)
  • 著者名/発表者名: Kinya Kawamura, Naoya Suzuki, Takashi Tsuchiya, Yuichi Shimazu, Makoto Minohara, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 06GJ08[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.06GJ08
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Metal-insulator transition of valence-controlled VO2 thin film prepared by RF magnetron sputtering using oxygen radical (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Suetsugu, Yuichi Shimazu, Takashi Tsuchiya, Masaki Kobayashi, Makoto Minohara, Enju Sakai, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Tohru Higuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 06GJ11[1-4]
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.06GJ11
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ce Core-Level Spectroscopy, and Magnetic and Electrical Transport Properties of Lightly Ce-Doped YCoO3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiko Kobayashi, Tsuyoshi Koike, Mario Okawa, Ryohei Takayanagi, Shohei Takei, Makoto Minohara, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Tomohiko Saitoh, and Kichizo Asai
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 114704[1-8]
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.114704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial growth and electric properties of γ-Al2O3 films on β-Ga2O3 substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Mai Hattori, Takayoshi Oshima, Ryo Wakabayashi, Kohei Yoshimatsu, Kohei Sasaki, Takekazu Masui, Akito Kuramata, Shigenobu Yamakoshi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, and Akira Ohtomo
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 1202B6[1-5]
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.1202B6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppression of the antiferromagnetic pseudogap in the electron-doped high-temperature superconductor by protect annealing (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Horio, T. Adachi, Y. Mori, A. Takahashi, T. Yoshida, H. Suzuki, L. C. C. Ambolode, II, K. Okazaki, K. Ono, H. Kumigashira, H. Anazai, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, D. Ootsuki, K. Sawada, M. Takahashi, T. Mizokawa, Y. Koike, and A. Fujimori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 10567[1-8]
  • DOI: 10.1038/ncomms10567
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Slater to Mott crossover in the metal to insulator transition of Nd2Ir2O7 (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakayama, Takeshi Kondo, Z. Tian, J.J. Ishikawa, M. Halim, C. Bareille, W. Malaeb, K. Kuroda, T. Tomita, S. Ideta, K. Tanaka, M. Matsunami, S. Kimura, N. Inami, K. Ono, H. Kumigashira, L. Balents, S. Nakatsuji, and S. Shin
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 117 ページ: 056403[1-6]
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.056403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Kondo effect and non-trivial metallic state of the Kondo Insulator YbB12 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Hagiwara, Yoshiyuki Ohtsubo, Masaharu Matsunami, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Hidetoshi Miyazaki, Julien E. Rault, Patrick Le Fevre, Francois Bertran, Amina Taleb-Ibrahimi, Ryu Yukawa, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuki Sumida, Taichi Okuda, Fumitoshi Iga, and Shin-ichi Kimura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 12690[1-6]
  • DOI: 10.1038/ncomms12690
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Current status of BL-2B at photon factory (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Nambu, K. Ueda, K. Horiba, K. Tsuchiya, H. Kumigashira, and K. Amemiya
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1741 ページ: 030041[1-5]
  • DOI: 10.1063/1.4952864
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative ARPES studies of LaOxF1-xBiS2 (x = 0.23 and 0.46) (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Terashima, T. Wakita, M. Sunagawa, H. Fujiwara, T. Nagayama, K. Ono, H. Kumigashira, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, H. Okazaki, Y. Takano, Y. Mizuguchi, H. Usui, K. Kuroki, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 683 ページ: 012002[1-7]
  • DOI: 10.1088/1742-6596/683/1/012002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic Observation of Degradation of LaNiO3 Ultrathin Films Caused by Air Exposure (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Wakabayashi, H. Maeda, T. Kimura, O. Sakata, E. Sakai, and H. Kumigashira
  • 雑誌名: e-J. Surf. Sci. Nanotech. 巻: 14 ページ: 14-16
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2016.14
  • 査読あり
• [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: International symposium on revolutionary atomic-layer materials
  • 発表場所: 東北大学WPI（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-10-21 – 2016-10-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 酸化物量子井戸構造に誘起される新奇な2次元電子液体状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 組頭広志
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（石川県・金沢市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
  • 招待講演
• [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: New horizons on redox processes on oxide surface: advanced spectroscopies and beyond
  • 発表場所: Yosemite, California, US
  • 年月日: 2016-07-12 – 2016-07-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 組頭研究室ホームページ
  • URL: http://oxides.kek.jp
• [備考] 新しい単原子シート「ボロフェン」の中に 質量ゼロ粒子を発見
  • URL: https://www.kek.jp/ja/NewsRoom/Release/2017/02/20/pressrelease20170220.pdf