直接バンド観察で開拓する新奇強相関トポロジカル量子相

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア
• 研究課題/領域番号: 16H00979
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 近藤 猛 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40613310)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: トポロジカル量子物性 / 角度分解光電子分光 / 電子構造 / レーザー

研究実績の概要

これまでの物性研究の主な舞台は、電子相関とスピン軌道相互作用のどちらか一方を有する物質であった。強い電子相関と強いスピン軌道相互作用の両者を兼ね備えた電子系は未開拓であり、新奇なトポロジカル量子相が理論予想されることからも、次なるフロンティアとして注目されている。昨今次々と報告される弱相関なトポロジカル量子相に関する実験結果は、理論予想を忠実に再現するものがほとんどで、理論先攻型の研究テーマと言える。対象的に、強相関を舞台とするトポロジカル状態は、第一原理計算でも再現しきれない新奇量子相が発現する可能性を秘めている。本研究では、極限光電子分光(極限レーザーを用いた高分解能な角度-スピン-時間分解光電子分光)を駆使する直接バンド観察を通じて、理論研究を駆り立てる実験先攻型の研究を目指すことで「トポロジーが紡ぐ物質科学」に貢献する計画である。本年度は、パイロクロア型イリジウム酸化物(Ln2Ir2O7; Ln=ランタノイド) の研究にフォーカスした。この物質群では、5d電子がフェルミオロジーを担うことで、スピン軌道相互作用、運動エネルギー、及びクーロン相互作用が同程度のエネルギースケールを持って競合し、金属と絶縁体の狭間に位置する電子状態に起因して、新奇トポロジカル量子相の発現が期待されている。これまでに我々は「強相関トポロジカル絶縁体」や「ワイル半金属」の母体電子構造となるフェルミノード状態(放物形状の伝導帯と価電子帯がフェルミ準位一点で接する)を実証しており、今後さらなる進展研究を展開が期待できる。

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

パイロクロア型イリジウム酸化物(Ln2Ir2O7; Ln=ランタノイド)では、「強相関トポロジカル絶縁体」や「ワイル半金属」の発現が期待される。我々は、これら量子相への母体電子構造となるフェルミノード状態(放物形状の伝導帯と価電子帯がフェルミ準位一点でのみ接する)を、Pr2Ir2O7試料を用いて実証した。また、時間反転が破れるNd2Ir2O7のall-in all-out 反強磁性相で、スレーター型からモット型の絶縁体へと冷却と共にクロスオーバーする現象を見出した。
前野悦輝教授(京都大)のグループとの共同研究で、ルテニウム酸化物 (Sr2RuO4)の詳細な電子構造を観測した。光電子を励起するフォトンエネルギーを系統的に変化させた測定から、13eV以下の低エネルギーフォトンを用いると、バルク由来の光電子強度が消失し、表面の電子状態が選択的に観測できることを示した。また表面第１層からの電子状態が、バルクと比べて電子質量が劇的に増大していることを測定し、RuO8面体が回転する効果で上手く説明可能なことを、バンド計算との比較で明瞭に示した。また、建設したばかりで、高効率レーザー光源を備えるスピン分解ARPES実験によって、スピン偏極する表面電子状態を発見した。表面スピン状態が理論計算でも再現されることが解明しつつあるため、更なる進展が期待される。以上のように、順調に結果が出ていることから、「当初の計画以上に進展している」とした。

今後の研究の推進方策

室温でも巨大な異常ホール効果を示すことから、次世代の磁気メモリ材料として大きく期待されるマンガン化合物Mn3Snのトポロジカル量子状態の解明を目指す。これまで、異常ホール効果は強磁性体でしか発現しないとされてきた。2015年11月に、マンガン化合物Mn3Snにおいて初めて反強磁性体での異常ホール効果が発見された (S. Nakatsuji et al., Nature 527, 212 (2015))。Mn3Snのスピン構造はキラリティを有しており、これに起因する電子構造のトポロジカルな性質が自発的異常ホール効果の機構に関与していることが理論的に提案されている。特に、大きなベリー曲率を持つワイル半金属状態が、巨大異常ホール効果の有力候補であることが第一原理計算から示唆されており、角度分解光電子分光を用いてMn3Snが持つ電子構造を直接確認する必要がある。ワイル半金属状態は今世界的に物性研究の中心的課題となっているトポロジカル状態であり、2015年8月にTaAsで実験的に初めて証明された(Su-Yang Xu et al., Science 349, 613 (2015))。そこで用いられた実験手法が角度分解光電子分光である。ワイル状態は、空間反転対称性あるいは時間反転対称性の破れに伴い発生する。空間反転対称性の破れた結晶構造を有するTaAsに対し、Mn3Snでは反強磁性秩序がもたらす時間反転対称性の破れに起因する初めてのワイル金属の実現が期待される。複数のグループで発表が相次いだTaAsのワイル半金属電子構造は、バルク敏感性が増す光源を用いたことで、ワイル点の同定に成功している。本研究の対象となるマンガン化合物Mn3Snにおいても、新奇なワイル半金属と言える上記の特異な電子構造を証明する上で、バルク敏感な光源を用いる角度分解光電子分光が威力を発揮するものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Direct mapping of spin and orbital entangled wave functions under interband spin-orbit coupling of giant Rashba spin-split surface states. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, K. Yaji, K. Kobayashi, M. Sakano, A. Harasawa, T. Kondo, F. Komori, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 041111(R) (1-6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.041111
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orbital-Dependent Band Narrowing Revealed in an Extremely Correlated Hund’s Metal Emerging on the Topmost Layer of Sr2RuO4 (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kondo, M. Ochi, M. Nakayama, H. Taniguchi, S. Akebi, K. Kuroda, M. Arita, S. Sakai, H. Namatame, M. Taniguchi, Y. Maeno, R. Arita, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 247001(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.247001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [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, T. 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, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 056403(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.056403
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coherent control over three-dimensional spin polarization for the spin-orbit coupled surface state of Bi2Se3 (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kuroda, K. Yaji, M. Nakayama, A. Harasawa, Y. Ishida, S. Watanabe, C.-T. Chen, T. Kondo, F. Komori, S. Shin
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 165162(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.165162
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 角度分解光電子分光による精密測定で解き明かす銅酸化物高温超伝導体の擬ギャップと超伝導ギャップの 競合関係 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤 猛, 竹内 恒博, 辛 埴
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 51 ページ: 203-221
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spin Polarization and Texture of the Fermi Arcs in the Weyl Fermion Semimetal TaAs (2016)
  • 著者名/発表者名: S-Y Xu, I. Belopolski, D. S. Sanchez, M. Neupane, G. Chang, K. Yaji, Z. Yuan, C. Zhang, K. Kuroda, G. Bian, C. Guo, H. Lu, T-R. Chang, N. Alidoust, H. Zheng, C-C. Lee, S-M. Huang, C-H. Hsu, H-T. Jeng, A. Bansil, T. Neupert, F. Komori, T. Kondo, S. Shin, H. Lin, S. Jia, M. Z. Hasan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 ページ: 096801(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.096801
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] ARPESで見た擬ギャップ (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] 構造・トポロジカル相転移および3軸異方性をもつBi4I4：角度分解光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 黒田健太, 高橋敬成, 中山充大, 坂野昌人, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 辛埴, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] BaKFe2As2の超伝導状態における反強的電子構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 下志万貴博, Walid Malaeb, 近藤猛, 木方邦宏, 李哲虎, 伊豫彰, 永崎洋, 石田茂之, 中島正道, 内田慎一, 大串研也, 石坂香子, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] Sr2RuO4表面においてRuO6八面体の回転が引き起こす強相関効果：LDA+DMFTによる解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 越智正之, 酒井志朗, 近藤猛, 有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会 （2017年）
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] キラルな結晶構造を有するテルル単体のバンド構造の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂野昌人, 平山元昭, 高橋敬成, 明比俊太朗, 中山充大, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 小野寛太, 組頭広志, 三宅隆, 村上修一, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザースピン分解 ARPES を用いたSr2RuO4表面状態のスピン軌道結合の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 明比俊太朗, 黒田健太, 中山充大, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 谷口晴香, 前野悦輝, 小森文夫, 近藤猛, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESにおける光電子のスピン偏極：トポロジカル絶縁体Bi2Se3 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 矢治光一郎, 野口亮, 小林功佳, 原沢あゆみ, 石田行章, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 角度分解光電子分光で観測するCd2Os2O7の電子状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中山充大, 近藤猛, 廣瀬陽代, 黒田健太, Balleile C dric, 坂野昌人, 明比俊太朗, 野口亮, 國定聡, 広井善二, 辛埴
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] レーザーARPESで精密観測するBi2Sr2Ca2Cu3O10+dの超伝導ギャップと擬ギャップ (2017)
  • 著者名/発表者名: 國定聡, 足立伸太郎, 黒田健太, 中山充大, 明比俊太朗, 坂野昌人, 辛埴, 渡辺孝夫, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 角度分解光電子分光によるBi系銅酸化物超伝導体のTcの評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本英城, 坪井湧基, 近藤猛, 辛埴, 竹内恒博
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] パイロクロア型イリジウム酸化物で直接観測するフェルミノード状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 2017年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • 発表場所: つくば国際会議 エポカルつくば (茨城県 つくば市)
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-15
  • 招待講演
• [学会発表] パイロクロア型イリジウム酸化物で直接観測するフェルミノード状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」 第2回領域研究会
  • 発表場所: 東北大学片平さくらホール (宮城県 仙台市)
  • 年月日: 2016-12-16 – 2016-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] 角度分解光電子分光で解明するパイロクロア型イリジウム酸化物の強相関電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: UVSORシンポジウム2016
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター (愛知県 東岡崎市)
  • 年月日: 2016-10-29 – 2016-10-30
  • 招待講演
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESを用いたBi2Se3表面状態の光電子スピン偏極と直線二色性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 矢治光一郎, 坂野昌人, 中山充大, 原沢あゆみ, 石田行章, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 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
• [学会発表] 軌道選択レーザースピン分解ARPESで調べるラシュバ表面状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 黒田健太, 矢治光一郎, 坂野昌人, 小林功佳A, 原沢あゆみ, 近藤猛, 小森文夫, 辛埴
  • 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
• [学会発表] 角度分解光電子分光で研究するルテニウム酸化物のコヒーレント-インコヒーレントクロスオーバー (2016)
  • 著者名/発表者名: 中山充大, 近藤猛, 谷口晴香, 吉田良行, 高木英典, 前野悦輝, 辛埴
  • 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
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESで観察するSr2RuO4の表面電子状態 (2016)
  • 著者名/発表者名: 明比俊太朗, 近藤猛, 黒田健太, 中山充大, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 谷口晴香, 前野悦輝, 小森文夫, 辛埴
  • 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
• [学会発表] Bi系銅酸化物高温超伝導体の超伝導ギャップ (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂本英城, 竹内恒博, 近藤猛, 辛埴
  • 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
• [学会発表] 高次高調波レーザーを用いたフェムト秒時間分解ARPESによる銅酸化物高温超伝導体Bi2212の準粒子ダイナミクスの直接観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡田大, 岡崎浩三, 鈴木博人, 山本貴士, 染谷隆史, 小川優, 笹川崇男, 近藤猛, 藤澤正美, 金井輝人, 石井順久, 板谷治郎, 辛埴
  • 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
• [学会発表] レーザーARPESを用いて精密観察するBi2Sr2Ca2Cu3O10+dのエネルギーギャップ (2016)
  • 著者名/発表者名: 國定聡, 足立伸太郎, 中山充大, 明比俊太朗, 坂野昌人, 黒田健太, 渡辺孝夫, 辛埴, 近藤猛
  • 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
• [学会発表] Point nodes persisting far beyond Tc in Bi2212 (2016)
  • 著者名/発表者名: 近藤猛
  • 学会等名: International Conference on Low-Energy Electrodynamics in Solids
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖 (滋賀県 守山市)
  • 年月日: 2016-05-29 – 2016-06-03
  • 国際学会 / 招待講演