2021S2-001
マイクロARPESによる新奇トポロジカル物質の特異電子状態の解明

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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：2021/4〜2024/3
　●実験ステーション：28A/B
　●関連課題：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）
　　　　　　　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
　トポロジカル絶縁体の発見を契機にして、新しい種類のトポロジカル物質の探索と、それを用いた量子現象の実現やデバイス応用に向けた研究が世界中で急ピッチに行われている。トポロジカル絶縁体は非磁性（時間反転対称性を有する）絶縁体における波動関数のトポロジーを数学的に見出すことで提案された物質であったが、近年では結晶のもつ様々な対称性によって多種多様なトポロジカル物質が存在することが予測されており、新型トポロジカル物質の探索が量子物質研究における新たな潮流を生み出している。物質のトポロジーを直接反映するのは表面のギャップレス状態であり、これをARPESによって観測することで、初めてトポロジカル物質が確立しその量子物性の物理的起源の解明が可能となる。しかしながら、これまでARPESによるトポロジカル物質研究は観測が比較的容易な3次元トポロジカル物質の結晶表面を対象に行われており、エッジ状態、ヒンジ状態、側面ディラック電子状態といったような、新たなトポロジカル相の実証の鍵となる局所性の高い空間領域での電子構造の研究はほとんど進んでいない状況にある。
　本研究では、BL-28における偏光可変高輝度光を利用したマイクロ集光高分解能ARPESエンドステーションの整備・改良を行って、空間分割した電子状態の直接決定を可能にすることで、原子層トポロジカル絶縁体、高次トポロジカル絶縁体、トポロジカル半金属など、対称性に起因した特異な局所電子状態の発現が期待される新奇なトポロジカル物質を実証し、低エネルギー励起状態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。現在のBL28の光学系の終端にKBミラーを敷設し、その立ち上げと調整、ARPES装置の改良を行うことでマイクロ集光高分解能ARPESエンドステーションを建設する。先端装置による研究を強力に推進することにより、トポロジカル物質の実証と特異物性発現機構の解明が進展し、新しいトポロジカル物質相・量子現象の開拓や、トポロジカルな物質現象を応用したデバイスの開発が大きく進展すると期待される。

●成果発表
　●論文

• "Evolution of band structure in the kagome superconductor Cs(V_1−𝑥⁢Cr_𝑥)₃Sb₅: Toward universal understanding of charge density wave and superconducting phase diagrams"
  Shuto Suzuki, Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Kenichi Ozawa, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 110 (2024) 165104.
• "Ferromagnetism triggered by band tripling in ruthenate Sr_4⁢Ru_3⁢O₁₀"
  N. Watanabe, S. Souma, K. Nakayama, K. Yamauchi, J. F. Ribeiro, Y. Wang, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, T. Oguchi, Z. Q. Mao, Y. P. Chen, and T. Sato
  Phys. Rev. B, 110 (2024) 155134.
• "Universal role of combined symmetry for the protection of the Dirac cone in antiferromagnetic topological insulators"
  Asuka Honma, Noriyuki Kabeya, Seigo Souma, Yongjian Wang, Kunihiko Yamauchi, Kosuke Nakayama, Daichi Takane, Kenichi Ozawa, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Noriaki Kimura, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 110 (2024) 115152.
• "Observation of edge states derived from topological helix chains"
  K. Nakayama, A. Tokuyama, K. Yamauchi, A. Moriya, T. Kato, K. Sugawara, S. Souma, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Oguchi, T. Takahashi, K. Segawa & T. Sato
  Nature, 631 (2024) 54.
• "In-situ topotactic chemical reaction for spectroscopies"
  Tappei Kawakami, Kosuke Nakayama, Katsuaki Sugawara and Takafumi Sato
  Electronic Structure, 6 (2024) 033001.
• "Observation of a giant band splitting in altermagnetic MnTe"
  T. Osumi, S. Souma, T. Aoyama, K. Yamauchi, A. Honma, K. Nakayama, T. Takahashi, K. Ohgushi, and T. Sato
  Phys. Rev. B, 109 (2024) 115102.
• "Antiferromagnetic topological insulator with selectively gapped Dirac cones"
  A. Honma, D. Takane, S. Souma, K. Yamauchi, Y. Wang, K. Nakayama, K. Sugawara, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Tanaka, T. K. Kim, C. Cacho, T. Oguchi, T. Takahashi, Yoichi Ando & T. Sato
  Nature Communications, 14 (2023) 7396.
• "Unusual surface states associated with PT-symmetry breaking and antiferromagnetic band folding in NdSb"
  Asuka Honma, Daichi Takane, Seigo Souma, Yongjian Wang, Kosuke Nakayama, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yoichi Ando, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 108 (2023) 115118.
• "Pure nematic state in the iron-based superconductor FeSe"
  Y. Kubota, F. Nabeshima, K. Nakayama, H. Ohsumi, Yoshikazu Tanaka, K. Tamasaku, T. Suzuki, K. Okazaki, T. Sato, A. Maeda, and M. Yabashi
  Phys. Rev. B, 108 (2023) L100501.
• "Moiré-Assisted Realization of Octahedral MoTe₂ Monolayer"
  Yasuaki Saruta, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Tappei Kawakami, Takemi Kato, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru Fukumura, Takafumi Sato
  Adv. Sci., 2023 (2023) 2304461.
• "Switching of charge-density wave by carrier tuning in monolayer TiTe₂"
  Koki Yanagizawa, Katsuaki Sugawara, Tappei Kawakami, Ryuichi Ando, Ken Yaegashi, Kosuke Nakayama, Seigo Souma, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. Materials, 7 (2023) 104002.
• "Development of Ar gas cluster ion beam system for surface preparation in angle-resolved photoemission spectroscopy"
  Atsuya Tokuyama, Ayumi Moriya, Kosuke Nakayama
  Rev. Sci. Instrum., 94 (2023) 023904.
• "Charge-density wave associated with higher-order Fermi-surface nesting in monolayer VS₂"
  Tappei Kawakami, Katsuaki Sugawara, Hirofumi Oka, Kosuke Nakayama, Ken Yaegashi, Seigo Souma, Takashi Takahashi, Tomoteru Fukumura and Takafumi Sato
  npj 2D Materials and Applications, 7 (2023) 35.
• "Surface-termination-dependent electronic states in kagome superconductors AV₃Sb₅ (A=K, Rb, Cs) studied by micro-ARPES"
  Takemi Kato, Yongkai Li, Min Liu, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 107 (2023) 245143.
• "Visualizing crystal twin boundaries of bismuth by high-spatial-resolution ARPES"
  Ayumi Moriya, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Kensaku Maeda, Atsuya Tokuyama, Seigo Souma, Chaoyu Chen, José Avila, Maria Carmen Asensio, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Kozo Fujiwara, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. Research, 5 (2023) 023152.
• "Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES"
  Katsuaki Sugawara, Haruki Kusaka, Tappei Kawakami, Koki Yanagizawa, Asuka Honma, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Masashi Miyakawa, Takashi Taniguchi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shin-ichi Orimo, Masayuki Toyoda, Susumu Saito, Takahiro Kondo, and Takafumi Sato
  Nano Lett., 23 (2023) 1673.
• "Fermiology of a topological line-nodal compound CaSb₂ and its implication to superconductivity: Angle-resolved photoemission study"
  Chien-Wen Chuang, Seigo Souma, Ayumi Moriya, Kosuke Nakayama, Atsutoshi Ikeda, Mayo Kawaguchi, Keito Obata, Shanta Ranjan Saha, Hidemitsu Takahashi, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Shingo Yonezawa, Johnpierre Paglione, Yoshiteru Maeno, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. Materials, 6 (2022) 104203.
• "Fermiology and Origin of T_c Enhancement in a Kagome Superconductor Cs(V_1-xNb_x)₃Sb₅"
  Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Fumihiko Matsui, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. Lett., 129 (2022) 206402.
• "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.
• "Rhombic Fermi surfaces in a ferromagnetic MnGa thin film with perpendicular magnetic anisotropy"
  M. Kobayashi, N. H. D. Khang, T. Takeda, K. Araki, R. Okano, M. Suzuki, K. Kuroda, K. Yaji, K. Sugawara, S. Souma, K. Nakayama, K. Yamauchi, M. Kitamura, K. Horiba, A. Fujimori, T. Sato, S. Shin, M. Tanaka, and P. N. Hai
  Phys. Rev. Materials, 6 (2022) 074403.
• "Polarity-dependent charge density wave in the kagome superconductor CsV₃Sb₅"
  Takemi Kato, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Zhiwei Wang, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Takashi Takahashi, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 106 (2022) L121112.
• "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.
• "Carrier Injection and Manipulation of Charge-Density Wave in Kagome Superconductor CsV₃Sb₅"
  Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Takemi Kato, Min Liu, Zhiwei Wang, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. X, 12 (2022) 011001.
• "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.
• "Robust charge-density wave strengthened by electron correlations in monolayer 1T-TaSe₂ and 1T-NbSe₂"
  Yuki Nakata, Katsuaki Sugawara, Ashish Chainani, Hirofumi Oka, Changhua Bao, Shaohua Zhou, Pei-Yu Chuang, Cheng-Maw Cheng, Tappei Kawakami, Yasuaki Saruta, Tomoteru Fukumura, Shuyun Zhou, Takashi Takahashi & Takafumi Sato
  Nature Communications, 12 (2021) 5873.
• "Multiple energy scales and anisotropic energy gap in the charge-density-wave phase of the kagome superconductor CsV₃Sb₅"
  Kosuke Nakayama, Yongkai Li, Takemi Kato, Min Liu, Zhiwei Wang, Takashi Takahashi, Yugui Yao, and Takafumi Sato
  Phys. Rev. B, 104 (2021) L161112.