2012S2-001
高分解能角度分解光電子分光によるディラック電子系の量子現象の解明

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●基本情報
　●実験責任者：高橋　隆（東北大理）
　●課題有効期間：2012/4〜2015/3
　●実験ステーション：28A
　●関連課題：2015S2-003（高分解能角度分解光電子分光による 高機能物質における新たな量子物質相の探索）
　　　　　　　2009S2-005（新規高温超伝導体および関連化合物の高分解能角度分光電子分光）
　　　　　　　2006S2-001（強相関遷移金属酸化物の高分解能角度分解光電子分光による研究）

●課題の概要
　トポロジカル絶縁体やグラフェンなどのディラック電子系新機能性物質が最近次々に発見され、物性解明やデバイス応用に向けての研究が急ピッチで進んでいる。これらの特異物性発現機構の完全解明には、その電子状態をバルクと表面に分離して精密決定することが不可欠である。本研究では、高輝度ビームラインBL-28Aの高エネルギー分解能および励起光可変性を利用した高分解能角度分解光電子分光(ARPES)法を用いて、トポロジカル絶縁体、グラフェン、遷移金属化合物などのディラック電子系物質におけるフェルミ準位近傍の基盤電子構造を解明し、特異物性発現機構との関連を明らかにすることを目的とする。
トポロジカル絶縁体の測定では、放射光の励起光可変性を生かして、表面とバルクに完全分離して、フェルミ面とエネルギーバンド分散を決定すると同時に、準粒子構造を高精度で観測し、ディラック電子に働く多体相互作用の同定を行う。また、３次元的な運動量空間におけるARPES測定を行うことで、新型トポロジカル絶縁体の同定を行う。グラフェン関連物質においては、積層数をよく制御した多層グラフェンとその層間化合物のフェルミ準位近傍の微細電子構造を決定し、基礎電子物性やデバイス応用に資する基盤電子構造を確立する。遷移金属化合物およびその他のディラック電子系の候補物質については、ブリルアンゾーン全体を網羅する包括的ARPES実験を行い、結晶中におけるディラック電子の有無を明らかにする。
　以上の「高分解能角度分解光電子分光によるディラック電子系の微細電子構造の研究」は、新型ディラック電子系物質の探索への指針を与えると同時に、新たな低消費電力電子デバイスの開発にも大きく貢献することが期待される。

●成果発表
　●論文

• "Electronic Structure of Sr₃Fe_2−xCo_xO_7−δ Studied by Photoemission and X-ray Absorption Spectroscopy"
  Rie Naito, Yuta Nakano, Mario Okawa, Hiroki Wadati, Ryouta Nakamura, Jun-ichiro Tozawa, Mitsuru Akaki, Hideki Kuwahara, Takeharu Sugiyama, Eiji Ikenaga, Hiroshi Kumigashira, Enju Sakai, and Tomohiko Saitoh
  JPS Conf. Proc. 30 (2020) 011073.
• "Electronic Structure of a Delafossite Oxide CuAlO₂ in Comparison with CuCrO₂"
  Kenta Takahashi, Ryo Kato, Mario Okawa, Tetsuji Okuda, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Kanta Ono, Noriaki Hamada, and Tomohiko Saitoh
  J. Phys. Soc. Jpn. 88 (2019) 074701.
• "ARPES studies on new types of electron-doped cuprate superconductors"
  M. Horio and A. Fujimori
  J. Phys.: Condensed Matter 30 (2018) 503001.
• "Observation of a Pseudogap in the Vicinity of the Metal–Insulator Transition in the Perovskite-type Vanadium Oxides Nd_1−xSr_xVO₃"
  Shintaro Yamamoto, Daiki Ootsuki, Daiya Shimonaka, Daisuke Shibata, Kenjiro Kodera, Mario Okawa, Tomohiko Saitoh, Masafumi Horio, Atsushi Fujimori, Hiroshi Kumigashira, Kanta Ono, Eiji Ikenaga, Shigeki Miyasaka, Setsuko Tajima, and Teppei Yoshida
  J. Phys. Soc. Jpn. 87 (2018) 024708.
• "Effects of strain on the electronic structure, superconductivity, and nematicity in FeSe studied by angle-resolved photoemission spectroscopy"
  G. N. Phan, K. Nakayama, K. Sugawara, T. Sato, T. Urata, Y. Tanabe, K. Tanigaki, F. Nabeshima, Y. Imai, A. Maeda, and T. Takahashi
  Phys. Rev. B 95 (2017) 224507.
• "Direct observation of nonequivalent Fermi-arc states of opposite surfaces in the noncentrosymmetric Weyl semimetal NbP"
  S. Souma, Zhiwei Wang, H. Kotaka, T. Sato, K. Nakayama, Y. Tanaka, H. Kimizuka, T. Takahashi, K. Yamauchi, T. Oguchi, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
  Phys. Rev. B 93 (2016) 161112(R).
• "Suppression of the antiferromagnetic pseudogap in the electron-doped high-temperature superconductor by protect annealing"
  M. Horio, T. Adachi, Y. Mori, A. Takahashi, T. Yoshida, H. Suzuki, L. C. C. Ambolode II, K. Okazaki, K. Ono, H. Kumigashira, H. Anzai, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, D. Ootsuki, K. Sawada, M. Takahashi, T. Mizokawa, Y. Koike and A. Fujimori
  Nature Communicatons, 7 (2016) 10567.
• "Observation of two-dimensional bulk electronic states in the superconducting topological insulator heterostructure Cu_x(PbSe)₅(Bi₂Se₃)₆: Implications for unconventional superconductivity"
  K. Nakayama, H. Kimizuka, Y. Tanaka, T. Sato, S. Souma, T. Takahashi, Satoshi Sasaki, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
  Phys. Rev. B, 92 (2015) 100508(R).
• "In-plane electronic anisotropy in the antiferromagnetic orthorhombic phase of isovalent-substituted Ba(Fe1-xRu_x)₂As₂"
  L. Liu, T. Mikami, S. Ishida, K. Koshiishi, K. Okazaki, T. Yoshida, H. Suzuki, M. Horio, L. C. C. Ambolode II, J. Xu, H. Kumigashira, K. Ono, M. Nakajima, K. Kihou, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, T. Kakeshita, S. Uchida, and A. Fujimori
  Phys. Rev. B, 92 (2015) 094503.
• "Anisotropy of the superconducting gap in the iron-based superconductor BaFe₂(As1-xP_x)₂"
  T. Yoshida, S. Ideta, T. Shimojima, W. Malaeb, K. Shinada, H. Suzuki, I. Nishi, A. Fujimori, K. Ishizaka, S. Shin, Y. Nakashima, H. Anzai, M. Arita, A. Ino, H. Namatame, M. Taniguchi, H. Kumigashira, K. Ono, S. Kasahara, T. Shibauchi, T. Terashima, Y. Matsuda, M. Nakajima, S. Uchida, Y. Tomioka, T. Ito, K. Kihou, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, H. Ikeda, R. Arita, T. Saito, S. Onari and H. Kontani
  Sci. Rep., 4 (2014) 7292.
• "Reconstruction of Band Structure Induced by Electronic Nematicity in an FeSe Superconductor"
  K. Nakayama, Y. Miyata, G. N. Phan, T. Sato, Y. Tanabe, T. Urata, K. Tanigaki, and T. Takahashi
  Phys. Rev. Lett., 113 (2014) 237001.
• "Pseudogap formation above the superconducting dome in iron pnictides"
  T. Shimojima, T. Sonobe, W. Malaeb, K. Shinada, A. Chainani, S. Shin, T. Yoshida, S. Ideta, A. Fujimori, H. Kumigashira, K Ono, Y. Nakashima, H. Anzai, M. Arita, A. Ino, H. Namatame, M. Taniguchi, M. Nakajima, S. Uchida, Y. Tomioka, T.Ito, K. Kihou, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, K. Ohgushi, S. Kasahara, T. Terashima, H. Ikeda, T. Shibauchi, Y. Matsuda, and K. Ishizaka
  Phys. Rev. B, 89 (2014) 045101.
• "Evolution from incoherent to coherent electronic states and its implications for superconductivity in FeTe_1-xSe_x"
  E. Ieki, K. Nakayama, Y. Miyata, T. Sato, H. Miao, N. Xu, X.-P. Wang, P. Zhang, T. Qian, P. Richard, Z.-J. Xu, J. S. Wen, G. D. Gu, H. Q. Luo, H.-H. Wen, H. Ding, and T. Takahashi
  Phys. Rev. B, 89 (2014) 140506(R).
• "Relationship between Fermi surface warping and out-of-plane spin polarization in topological insulators: A view from spin- and angle-resolved photoemission"
  M. Nomura, S. Souma, A. Takayama, T. Sato, T. Takahashi, K. Eto, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
  Phys. Rev. B, 89 (2014) 045134.
• "Two types of Dirac-cone surface states on the (111) surface of the topological crystalline insulator SnTe"
  Y. Tanaka, T. Shoman, K. Nakayama, S. Souma, T. Sato, T. Takahashi, M. Novak, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
  Phys. Rev. B, 88 (2013) 235126.
• "Fermiology of the Strongly Spin-Orbit Coupled Superconductor Sn_1-xIn_xTe: Implications for Topological Superconductivity"
  T. Sato, Y. Tanaka, K. Nakayama, S. Souma, T. Takahashi, S. Sasaki, Z. Ren, A.A. Taskin, K. Segawa, and Y. Ando
  Phys. Rev. Lett., 110 (2013) 206804.
• "Effects of Zn Substitution on the Electronic Structure of BaFe₂As₂ Revealed by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy"
  S.Ideta, T.Yoshida, M.Nakajima, W.Malaeb, T.Shimojima, K.Ishizaka, A.Fujimori, H.Kumigashira, K.Ono, K.Kihou, Y.Tomioka, C.H.Lee, A.Iyo, H.Eisaki, T.Ito and S.Uchida
  Phys. Rev. B, 87 (2013) 201110.
• "Tunability of the k-Space Location of the Dirac Cones in the Topological Crystalline Insulator Pb_1-xSn_xTe"
  Y.Tanaka, T.Sato, K.Nakayama, S.Souma, T.Takahashi, Z.Ren, M.Novak, K.Segawa and Y.Ando
  Phys. Rev. B, 87 (2013) 155105.
• "Manipulation of Topological States and the Bulk Band Gap using Natural Heterostructures of a Topological Insulator"
  K.Nakayama, K.Eto, Y.Tanaka, T.Sato, S.Souma, T.Takahashi, K.Segawa and Y.Ando
  Phys. Rev. Lett., 109 (2012) 236804.
• "Experimental Realization of a Topological Crystalline Insulator in SnTe"
  Y.Tanaka, Z.Ren, T.Sato, K.Nakayama, S.Souma, T.Takahashi, K.Segawa and Y.Ando
  Nature Physics, 8 (2012) 800.