2018S2-004
ディラック酸化物の探索

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関連サイト:組頭研究室のホームページ

●基本情報

 ●実験責任者:組頭 広志(東北大学多元物質科学研究所)
 ●課題有効期間:2018/10〜2021/9
 ●実験ステーション:2A/B, 4C, 7C, 9A, 9C, 16A, AR-NW10A
 ●関連課題:2015S2-005(酸化物量子井戸構造に誘起される新奇2次元電子状態とその機能探索)
       2013S2-002(元素戦略プロジェクト・電子材料領域における放射光利用研究:軽元素アニオン系における機能発現機構の解明)

●課題の概要
 近年、特殊なバンド構造やそのトポロジーに起因して、実質的に電子の質量がゼロとなるような「ディラック電子」をもつ物質が、基礎・応用研究の両面から精力的に研究されている。しかしながら、現在見いだされている物質系は限られている。特に、化学的に安定で応用性の高い酸化物に関しては、理論計算から幾つかの候補物質が提案されているものの、実際にディラック電子の存在を確認した報告はない。これは、ひとえに、酸化物特有の試料合成の難しさと、それを検証する手法に乏しいことが原因であると考えられる。
 本研究の目的は、ディラック電子を持つ酸化物―ディラック酸化物―を創成することにある。そのために、放射光解析に基づく物質開発「Materials by design」というスキームを提案・実行する。具体的には、理論計算により予言されている幾つかの酸化物および超構造をレーザーMBE法を駆使して合成し、そのバンド構造、特にディラックコーンの存在をその場での角度光電子分光(in-situ ARPES)により直接決定する。ここで、放射光の円偏光依存性(右円・左円偏光の2色性)を用いてスピンテクスチャ状態を特定することで、ディラック電子状態の検証を、さらに、最終的に既存の光電子アナライザーにスピン検出器を導入することで、特定の波数におけるスピン分解ARPESによる検証を可能とする。さらには、「ディラック電子の検証」にとどまらず、本S2課題メンバー内の薄膜作製グループとの密接な連携を通して量子物性評価、および超構造・デバイスの製作へと展開する。
 本S2課題では、ARPESによるディラック電子の確認という目標に至るまでに、合成の難しい酸化物においてARPESに耐えうる清浄かつ結晶性のよい表面・界面を作製する必要がある。そのために、多くの時間を費やして放射光電子分光による酸化物超構造の表面・界面研究を遂行することになる。これを、VUVとSXモードを切り替えることで、広エネルギー範囲にわたって高分解能かつ高強度の放射光を供給できる新BL2Aを駆使して行う。この「酸化物表面・界面解析ビームライン」に「in-situ ARPES+レーザーMBE複合装置」を設置し、実験ステーションの高度化・最適化を行う。これにより、酸化物のみならず機能性材料科学における「放射光解析プラットホーム」を構築・運営することで、放射光解析に基づく物質開発を推進する。