遷移金属化合物表面における特異なスピン・電荷・軌道状態の分光研究

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25400356
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 溝川 貴司 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (90251397)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 遷移金属化合物 / Ｘ線吸収分光 / 軌道秩序 / 酸素ホール / 角度分解光電子分光 / スピン軌道相互作用 / 相分離 / リチウムイオン電池

研究概要

今年度は、リチウムイオン電池の正極材料として広く利用されているコバルト酸リチウムの電子構造をＸ線吸収分光によって研究し、脱リチウムによってコバルトの形式価数が変化する際に酸素2p軌道にホールが生成することを発見し、この酸素ホールがリチウムイオンの移動を助ける働きを持つことを示した。この結果を報告する論文はPhysical Review Letters誌に掲載され、リチウムイオン電池の発展に貢献する成果として注目を集めている。また、光合成で中心的な役割を果たすマンガンクラスターとの関連が指摘されているホランダイト型マンガン酸化物の電子状態をＸ線吸収分光によって研究し、その構造相転移の機構において酸素ホールが重要な役割を果たすことを指摘した。一方、三角格子を持つ超伝導体として注目されているイリジウムテルライドをＸ線吸収分光および光電子分光によって研究し、イリジウムの二量体の形成と軌道秩序が重要な役割を果たしていることを解明した。また、その超伝導状態においてイリジウムおよびテルルの巨大なスピン軌道相互作用が本質的な役割を果たすことを指摘した。これらの成果に関する一連の論文は、Journal of Physical Society of Japan誌、Physical Review B誌に相次いで発表されて、固体物理学の分野で注目を集めている。さらに、国内外で盛んに研究されている鉄系超伝導についても、Ｘ線吸収分光と光電子分光による研究を推進し、反強磁性状態と超伝導状態との相分離と鉄3d軌道の秩序との関連について成果を挙げることができた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

国内のPhoton Factory、カナダのCanadian light source、イタリアのElettra、スイスのSwiss light sourceなど国内外の多数の放射光施設において予想以上のビームタイムを獲得することができ、当初の研究計画以上に研究が進展した。今年度中に出版された当課題に関連する原著論文は１０編を超えており、現在準備中の論文も多数あるため、来年度中にはさらに多数の重要な原著論文を発表することが期待できる。

今後の研究の推進方策

２次電池の電極材料や光触媒の材料などエネルギー問題の解決に貢献できる遷移金属酸化物を放射光分光でさらに解明していくと同時に、特異な超伝導体など凝縮系物理学の分野で注目されている興味深い物質群について幅広く研究を展開する方針である。

研究成果

• [雑誌論文] Te 5p orbitals bring three-dimensional electronic structure to two-dimensional Ir0.95Pt0.05Te2 (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki, T. Toriyama, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, K. Horiba, M. Kobayashi, K. Ono, H. Kumigashira, T. Noda, T. Sugimoto, A. Fujimori, N. L. Saini, T. Konishi, Y. Ohta, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 ページ: 104506-1--4
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.89.104506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Important Roles of Te 5p and Ir 5d Spin-Orbit Interactions on the Multi-band Electronic Structure of Triangular Lattice Superconductor Ir1-xPtxTe2 (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki, T. Toriyama, M. Kobayashi, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, T. Sugimoto, T. Yoshida, M. Horio, A. Fujimori, M. Arita, H. Anzai, H. Namatame, M. Taniguchi, N. L. Saini, T. Konishi, Y. Ohta, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 033704-1--4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.033704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Momentum Dependence of the Multiband Electronic Structure of FeSe1-xTex Superconductors Induced by Atomic Disorder (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Sudayama, D. Ootsuki, Y. Wakisaka, T. Mizokawa, N. L. Saini, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, T. Noji, and Y. Koike
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 053705-1--4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.053705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-Charge-Orbital Ordering in Hollandite-Type Manganites Studied by Model Hartree-Fock Calculation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Fukuzawa, D. Ootsuki, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 074708-1--5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.074708
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valence instability and photochemical reaction at surface of strongly correlated MgTi2O4 (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Fujiwara, Y. Ishige, T. Mizokawa, T. Sasaki, M. Isobe, and Y. Ueda
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Materials 巻: 1 ページ: 022110-1--6
  • DOI: 10.1063/1.4818355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Oxygen Holes in LixCoO2 Revealed by Soft X-Ray Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Mizokawa, Y. Wakisaka, T. Sudayama, C. Iwai, K. Miyoshi, J. Takeuchi, H. Wadati, D. G. Hawthorn, T. Z. Regier, and G. A. Sawatzky
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 111 ページ: 056404-1--5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.056404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of LiCoO2 nanoparticles by hard x-ray emission and absorption spectroscopies (2013)
  • 著者名/発表者名: L. Simonelli, N. L. Saini, M. M. Sala, M. Okubo, I. Honma, T. Mizokawa, and G. Monaco
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 083111-1--3
  • DOI: 10.1063/1.4817674
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Structure Reconstruction by Orbital Symmetry Breaking in IrTe2 (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Ootsuki, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, M. Horio, T. Yoshida, A. Fujimori, M. Arita, H. Anzai, H. Namatame, M. Taniguchi, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 093704-1--4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.093704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of Local Lattice Disorder on Spin and Orbital Orders in Ca2-xSrxRuO4 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, D. Ootsuki, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 104714-1--4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.104714
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distinct local structure of nanoparticles and nanowires of V2O5 probed by x-ray absorption spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: B. Joseph, A. Iadecola, L. Maugeri, M. Bendele, M. Okubo, H. Li, H. Zhou, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 ページ: 251910-1--3
  • DOI: 10.1063/1.4856855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of local disorder in LiMn(Cr,Ni)O2 compounds by extended X-ray absorption fine structure measurements (2013)
  • 著者名/発表者名: L. Maugeria, A. Iadecola, L. Simonelli, G. Chend, H. Wadati, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 242 ページ: 202--207
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local structural displacements across the structural phase transition in IrTe2: Order-disorder of dimers and role of Ir-Te correlations (2013)
  • 著者名/発表者名: B. Joseph, M. Bendele, L. Simonelli, L. Maugeri, S. Pyon, K. Kudo, M. Nohara, T. Mizokawa, and N. L. Saini
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 224109-1--4
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.224109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure and phase separation of superconducting and nonsuperconducting KxFe2－ySe2 revealed by x-ray photoemission spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Oiwake, D. Ootsuki, T. Noji, T. Hatakeda, Y. Koike, M. Horio, A. Fujimori, N. L. Saini, and T. Mizokawa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88 ページ: 224517-1--6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.224517
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metal-insulator transitions: Orbital control (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Mizokawa
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 9 ページ: 612-613
  • DOI: 10.1038/nphys2769
• [学会発表] Spin-charge-orbital instabilities in transition-metal chalcogenides with small or negative charge-transfer energy (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Mizokawa
  • 学会等名: 6th Indo-Japan seminar: Physics and Design of Multi-Functional Correlated Materials
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 20140323-20140324
  • 招待講演
• [学会発表] Principle of photoemission spectroscopy and its application to transition-metal compounds (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Mizokawa
  • 学会等名: ACMN&NEEM2013
  • 発表場所: Ahmedabad, India
  • 年月日: 20131122-20131126
  • 招待講演
• [学会発表] Spin-charge-orbital instabilities in 5d transition-metal chalcogenides with small or negative charge-transfer energy (2013)
  • 著者名/発表者名: Takashi Mizokawa
  • 学会等名: Korean Physical Socity Meeting
  • 発表場所: Daejun, Korea
  • 年月日: 20130422-20130423
  • 招待講演
• [備考] リチウムイオン電池材料LixCoO2における酸素ホールの重要な役割を解明
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry246/