2018S2-001
高分解能角度分解光電子分光による新奇量子物質におけるエキゾチック準粒子の探索

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●基本情報
　●実験責任者：佐藤　宇史（東北大・理）
　●課題有効期間：2018/4〜2021/3
　●実験ステーション：28A/B
　●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）
　　　　　　　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）
　　　　　　　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
　様々な物質の素励起は、フェルミ準位近傍において形成される準粒子バンドによって記述される。近年注目されている高温超伝導体、グラフェン、トポロジカル絶縁体などの新奇量子物質の多くは、ディラック粒子、ワイル粒子、マヨラナ粒子などの「エキゾチック準粒子」により物性が特徴付けられており、巨視的量子物性や、それらを応用したデバイス研究が急ピッチで展開されている。本研究では、BL28にける偏光可変高輝度光を利用した高分解能角度分解光電子分光エンドステーションの整備・改良を行い、これを用いて、トポロジカル半金属、原子層物質、高温超伝導体などの新奇量子物質における低エネルギー励起状態を高精度に決定し、エキゾチック準粒子と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。研究を強力に推進するために、新たに建設を進めている広角度取込型の静電半球アナライザーを備えたエンドステーションの整備・改良を行う。装置全体の分解能の向上に加え、測定効率向上のために多自由度測定用試料マニピュレータの開発と測定の自動化を進める。将来の共同利用も見据えて、ユーザー親和性の高いロードロックシステム・試料搬送機構の導入や装置の安全対策の強化も進めていく。また、薄膜試料の測定のためにMBE薄膜試料作製および評価槽の立ち上げを行う。
装置の整備改良と並行して種々の新奇量子物質のARPES実験を行う。トポロジカル分野においては、トポロジカル絶縁体の強磁性化、トポロジカル半金属における新たなエキゾチック準粒子の解明と、薄膜物質の超伝導化などを行う。原子層物質においては、原子層グラフェン超伝導体のTcの向上、種々の元素のハニコム格子原子層の作製とその電子状態の解明、遷移金属ダイカルコゲナイドにおける種々の量子相の実現に取り組む。高温超伝導体・エキゾチック超伝導体においては、ボゴリューボフ準粒子分散の精密測定による超伝導機構の解明、トポロジカル超伝導体の探索などを行う。さらに、エキゾチック準粒子の新たな探索分野として、異種物質の薄膜ハイブリッドを作製し、その接合界面における電子状態の解明を行う。
以上の研究を強力に推し進め、エキゾチック準粒子と新奇量子物性との関連が明らかになることで、新物質・新物性の開拓や、次世代電子デバイスの開発に大きく貢献することが期待される。

●成果発表
　●論文

• "Electronic structure and anharmonic phonon mode in BaIr₂Ge₇ with two-dimensional Ba-Ge networks studied by photoemission spectroscopy"
  Tatsuhiro Ishida, Daiki Ootsuki, Shigeyuki Ishida, Miho Kitamura, Koji Horiba, Yasumasa Takagi, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Kenji Kawashima, Yousuke Yanagi, Akira Iyo, Hiroshi Eisaki, and Teppei Yoshida
  Phys. Rev. B, 107 (2023) 045116.
• "Metallic Surface State in the Bulk Insulating Phase of Ca_2−xSr_xRuO₄ (x = 0.06) Studied by Photoemission Spectroscopy"
  Daiki Ootsuki, Ayuko Hishikawa, Tatsuhiro Ishida, Daisuke Shibata, Yukie Takasuka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Yasumasa Takagi, Akira Yasui, Chanchal Sow, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno, and Teppei Yoshida
  J. Phys. Soc. Jpn., 91 (2022) 114704.
• "Development of a versatile micro-focused angle-resolved photoemission spectroscopy system with Kirkpatrick–Baez mirror optics"
  Miho Kitamura, Seigo Souma, Asuka Honma, Daisuke Wakabayashi, Hirokazu Tanaka, Akio Toyoshima, Kenta Amemiya, Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara, Kosuke Nakayama, Kohei Yoshimatsu, Hiroshi Kumigashira, Takafumi Sato, and Koji Horiba
  Review of Scientific Instruments, 93 (2022) 033906.
• "Dirac semimetal phase and switching of band inversion in XMg₂Bi₂ (X = Ba and Sr)"
  Daichi Takane, Yuya Kubota, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kunihiko Yamauchi, Seigo Souma, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa & Takafumi Sato
  Scientific Reports, 11 (2021) 21937.
• "Large magnetoresistance of a compensated metal Cu₂Sb correlated with its Fermi surface topology"
  Mizuki Endo, Hideyuki Kawasoko, Seigo Soma, Kunihiko Yamauchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Noriaki Kimura, Tamio Oguchi, Takafumi Sato, and Tomoteru Fukumura
  Phys. Rev. Materials, 5 (2021) 105002.
• "Extended superconducting dome revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy of electron-doped cuprates prepared by the protect annealing method"
  C. Lin, T. Adachi, M. Horio, T. Ohgi, M. A. Baqiya, T. Kawamata, H. Sato, T. Sumura, K. Koshiishi, S. Nakata, G. Shibata, K. Hagiwara, M. Suzuki, K. Ono, K. Horiba, H. Kumigashira, S. Ideta, K. Tanaka, Y. Koike, and A. Fujimori
  Phys. Rev. Res., 3 (2021) 013180.
• "Electronic states of multilayer VTe₂: Quasi-one-dimensional Fermi surface and implications for charge density waves"
  Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara, Takemi Kato, Taiki Taguchi, Seigo Souma, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 104 (2021) 045136.
• "Manipulation of Dirac Cone in Topological Insulator/Topological Insulator Heterostructure"
  Takumi Sato, Katsuaki Sugawara, Takemi Kato, Yuki Nakata, Seigo Souma, Kunihiko Yamauchi, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  ACS Appl. Electron. Mater., 3 (2021) 1080.
• "Switching of band inversion and topological surface states by charge density wave"
  N. Mitsuishi, Y. Sugita, M. S. Bahramy, M. Kamitani, T. Sonobe, M. Sakano, T. Shimojima, H. Takahashi, H. Sakai, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Taguchi, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ishiwata, Y. Motome & K. Ishizaka
  Nature Communications, 11 (2020) 2466.
• "Unusual temperature evolution of the band structure of Bi(111) studied by angle-resolved photoemission spectroscopy and density functional theory"
  Takafumi Sato, Keiko Yamada, Takao Kosaka, Seigo Souma, Kunihiko Yamauchi, Katsuaki Sugawara, Tamio Oguchi, and Takashi Takahashi
  Phys. Rev. B, 102 (2020) 085112.
• "Observation of inverted band structure in the topological Dirac semimetal candidate CaAuAs"
  Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Daichi Takane, Seigo Souma, Yuya Kubota, Yuki Nakata, Cephise Cacho, Timur Kim, Sandy Adhitia Ekahana, Ming Shi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 102 (2020) 041104(R).
• "Dichotomy of superconductivity between monolayer FeS and FeSe"
  Koshin Shigekawa, Kosuke Nakayama, Masato Kuno, Giao N. Phan, Kenta Owada, Katsuaki Sugawara, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Proc. Nat. Acad. Sci., 116 (2019) 24470.
• "Unusual change in the Dirac-cone energy band upon a two-step magnetic transition in CeBi"
  Hikaru Oinuma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Makoto Yoshida, Akira Ochiai, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 100 (2019) 125122.
• "Electronic structure of a Bi₂Te₃/FeTe heterostructure: Implications for unconventional superconductivity"
  Kenta Owada, Kosuke Nakayama, Ryuji Tsubono, Koshin Shigekawa, Katsuaki Sugawara, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 100 (2019) 064518.
• "Nanomosaic of Topological Dirac States on the Surface of Pb₅Bi₂₄Se₄₁ Observed by Nano-ARPES"
  Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Chi Xuan Trang, Daichi Takane, Chaoyu Chen, Jose Avila, Takashi Takahashi, Satoshi Sasaki, Kouji Segawa, Maria Carmen Asensio, Yoichi Ando and Takafumi Sato
  Nano Lett., 19 (2019) 3737.
• "Dimensionality reduction and band quantization induced by potassium intercalation in 1T−HfTe₂"
  Y. Nakata, K. Sugawara, A. Chainani, K. Yamauchi, K. Nakayama, S. Souma, P.-Y. Chuang, C.-M. Cheng, T. Oguchi, K. Ueno, T. Takahashi, and T. Sato
  Phys. Rev. Materials, 3 (2019) 071001(R).
• "Evidence for bulk nodal loops and universality of Dirac-node arc surface states in ZrGeX_c (X_c=S, Se, Te)"
  Takechika Nakamura, Seigo Souma, Zhiwei Wang, Kunihiko Yamauchi, Daichi Takane, Hikaru Oinuma, Kosuke Nakayama, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 99 (2019) 245105.
• "Monolayer VTe₂: Incommensurate Fermi surface nesting and suppression of charge density waves"
  Katsuaki Sugawara, Yuki Nakata, Kazuki Fujii, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 99 (2019) 241404(R).
• "Observation of Chiral Fermions with a Large Topological Chargeand Associated Fermi-Arc Surface States in CoSi"
  Daichi Takane, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Takechika Nakamura, Hikaru Oinuma, Yuki Nakata, Hideaki Iwasawa, Cephise Cacho, Timur Kim, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. Lett., 122 (2019) 076402.
• "Observation of band crossings protected by nonsymmorphic symmetry in the layered ternary telluride Ta₃SiTe₆"
  Takafumi Sato, Zhiwei Wang, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Daichi Takane, Yuki Nakata, Hideaki Iwasawa, Cephise Cacho, Timur Kim, Takashi Takahashi, and Yoichi Ando
  Phys. Rev. B, 98 (2018) 121111(R).
• "Observation of a Dirac nodal line in AlB₂"
  Daichi Takane, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Takechika Nakamura, Hikaru Oinuma, Kentaro Hori, Kouji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Noriaki Kimura, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 98 (2018) 041105(R).