超伝導体／ハーフメタル界面を用いたマヨラナフェルミオンの探索

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16J03208
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 藤原 弘和 岡山大学, 自然科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Keywords: スピン角度分解光電子分光 / ハーフメタル強磁性体 / 強相関電子系

Outline of Annual Research Achievements

本年度はマヨラナフェルミオン生成の基盤となるハーフメタル候補物質CrO2およびCoS2のスピン角度分解光電子分光（SARPES）測定を行うことで、両物質の電子状態に関する研究を行った。
CrO2の研究では、低温でフェルミ準位（EF）より高エネルギー側にあるマイノリティスピン状態が、熱ゆらぎによって誘起された強相関効果によってEF上に状態を持つことを実験的に明らかにした。先行研究では、マジョリティスピンバンド構造がUeff < 1 eVのバンド構造計算の結果と実験結果がよく一致することから、比較的小さな電子相関でCrO2の電子構造を理解できることが示唆された。これらの結果はスピンの向きに依存して電子相関の大きさが異なることを示唆しており、ハーフメタル特有の多体効果を理解する上でスピン依存電子相関効果を考慮することの重要性を示唆していると解釈できる。
CoS2の研究では、スピン依存電子相関効果に関する知見を得るために放射光ARPES及び高分解能SARPESを行った。実験で得られた電子状態をバンド計算と比較すると、Co t2gバンドがバンド幅及びバンド中心のエネルギーがバンド計算から大きく外れることを見出した。さらに超高分解能SARPES測定によってEF近傍のegバンドのスピンキャラクタを決定した。マジョリティスピンegバンドについては交換分裂を74%縮めたGGA計算の結果で概ね再現できたが、マイノリティスピンegバンドはGGA計算に比べてバンド幅が狭くなっており、電子相関効果による有効質量の増大が示唆された。これはCoS2はCoやNi等の通常の強磁性金属よりも２倍以上大きなスピン依存電子相関を持つことを明らかにした。
これらの研究成果はハーフメタルの物性を理解する上でスピン依存電子相関効果の重要性を示す初めての成果であり、ハーフメタルの機能性向上に貢献することが期待される。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fermi level tuning of Ag-doped Bi2Se3 topological insulator, Scientific Reports (2019)
  • Author(s): E. Uesugi, T. Uchiyama, H. Goto, H. Ota, T. Ueno, H. Fujiwara, K. Terashima, T. Yokoya, F. Matsui, J. Akimitsu, K. Kobayashi, and Y. Kubozono
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 5376
  • DOI: 10.1038/s41598-019-41906-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Origins of Thermal Spin Depolarization in Half-Metallic Ferromagnet CrO2 (2018)
  • Author(s): H. Fujiwara, K. Terashima, M. Sunagawa, Y. Yano, T. Nagayama, T. Fukura, F. Yoshii, Y. Matsuura, M. Ogata, T. Wakita, K. Yaji, A. Harasawa, K. Kuroda, S. Shin, K. Horiba, H. Kumigashira, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 121 Pages: 257201
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.257201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高分解能スピン分解ARPESによるCoS2の電子構造の解明 (2018)
  • Author(s): 藤原弘和，寺嶋健成，脇田高徳，矢野佑幸，細田渉，片岡範行，照屋淳志，垣花将司，辺土正人，仲間隆男，大貫惇睦，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，堀場弘司，組頭広志，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 高分解能スピン分解ARPESによるハールメタル候補物質CoS2の電子構造の観測 (2018)
  • Author(s): 藤原弘和，寺嶋健成，脇田高徳，矢野佑幸，細田渉，片岡範行，照屋淳志，垣花将司，辺土正人，仲間隆男，大貫惇睦，矢治光一郎，原沢あゆみ，黒田健太，辛埴，堀場弘司，組頭広志，村岡祐治，横谷尚睦
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Fundamental mechanisms of spin depolarization in half-metallic ferromagnet CrO2 revealed by high-resolution spin-resolved photoemission spectroscopy (2018)
  • Author(s): H. Fujiwara, K. Terashima, M. Sunagawa, Y. Yano, T. Nagayama, T. Fukura, F. Yoshii, Y. Matsuura, M. Ogata, T. Wakita, K. Yaji, A. Harasawa, K. Kuroda, S. Shin, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • Organizer: International Conference on Magnetism 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intrinsic electronic structure of high-quality CrO2 epitaxial film prepared by a closed-system CVD method (2018)
  • Author(s): H. Fujiwara
  • Organizer: Energy Materials and Nanotechnology Meeting on Epitaxy 2018
  • Int'l Joint Research / Invited