研究内容

Research

1. 角度分解光電子分光(ARPES)

1. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES)

物質の電気的・磁気的性質は主にフェルミ準位近傍の価電子や伝導電子の振る舞いに支配されます。物質中を自由に動きまわるこの電子がある温度で超伝導を示したり、はたまた電子同士のクーロン斥力で動けなくなって絶縁化したり、その性質は結晶を構成する元素や原子配列などでがらりと変化して多種多様です。ですので、電子が物質中でどのような運動をしているのかを詳しく調べることは、不思議な物性を理解して説明する上で必要になります。こういった電子の状態を実験的に調べる手法として角度分解光電子分光(Angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)が知られています。

Electrons in conduction and valence states near the Fermi level determine the characteristics of materials. These electrons can exhibit various states depending on elements and crystal structures. Therefore, a direct investigation of electron behaviors is necessary to explain the characteristics of materials. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is an experimental method to study electronic structures.

通常の光電子分光では、エネルギーhνの単色光を物質に当て、物質内から飛び出してきた電子(光電子)の運動エネルギーを観測することで、物質中電子の結合エネルギーの情報を知ることができます。ARPESは、運動エネルギーだけでなく観測する光電子の放出角まで分解することで、運動量とエネルギーの関係(いわゆるバンド分散)を直接的に観測できる(図1)ため、固体物理研究において強力な手法となっています。また、レーザーや放射光、もしくは低エネルギーhνやX線領域のhνだったり、様々な光源と組み合わせることで、電子状態を多角的に調べることができることもARPESの特徴です。

In ordinary photoemission spectroscopy measurements, light with higher energy than the work function is irradiated on a material, and electrons (photoelectrons) emitted from the materials are investigated; the energies of photoelectrons are associated with the binding energy of electrons in the materials. In ARPES, we measure the emission angles of photoelectrons as well as the energies to obtain the band dispersion (relationship between the momentum and binding energy in a solid). Lasers and synchrotron lights are available as light sources; different photon energies can measure different properties of electron structures.

近藤研が利用しているARPES装置には、高強度・単色性・短パルス性などの特徴あるレーザーを導入しています。最先端レーザーARPES装置を駆使して、ARPES最大の利点である電子状態の直接観測に、さらに「超高分解能」「スピン分解」「時間分解」までを加えた特色ある測定を行うことで、固体物理における難題に立ち向かっています。またレーザーARPESだけでなく、国内外の放射光施設も利用しています。特に、マイクロメートル以下の空間分解能を誇るナノARPESを用いた新しい研究も積極的に進めています。

We have ARPES machines with high-intensity, highly monochromatic, and short-pulsed lasers. We add "ultrahigh-resolution," "spin-resolved," or "time-resolved" features to such state-of-the-art ARPES systems to tackle challenging problems in condensed matter physics. In addition to laser-ARPES, We use synchrotron facilities around the world; particularly, we are focusing on nano-ARPES with spatial resolution better than 1 μm.

2. 銅酸化物高温超伝導体における「小さなフェルミ面」と「大きなフェルミ面」

"Small Fermi surface" and "Large Fermi surface" in cuprate high-temperature superconductor

銅酸化物高温超伝導体の未解決問題の中で最も重要な問題として、「母物質であるモット絶縁体中の反強磁性電子と、キャリアを注入することで発現する高温超伝導電子との関係」が挙げられます。銅酸化物高温超伝導体は母物質であるモット絶縁体にキャリア注入することで超伝導が発現する。そのため、「反強磁性の中で超伝導電子が共存できるのか」、それとも「反強磁性を乱さなければ超伝導電子は形成されないのか」、という論争が生じました。この論争はそれらのフェルミ面の特徴から「小さなフェルミ面」と「大きなフェルミ面」問題と呼ばれます。しかし、先行研究では、「小さなフェルミ面」とも「大きなフェルミ面」とも異なる、アーク状のフェルミ面が観測されており、どちらが正しいか分かっておりませんでした。

The most important unsolved problem in cuprate high-temperature superconductor is "the relationship between antiferromagnetic electrons in the parent Mott insulator and electrons forming Cooper pairs by carrier doping." In cuprate superconductor, superconductivity is obtained by doping carriers to the parent Mott insulator. So, there were discussions whether "superconductivity can coexist with antiferromagnetic order" or "superconductivity can be obtained only by breaking the antiferromagnetic order." This problem is called "the small Fermi surface" and "the large Fermi surface" problem from the shape of the Fermi surface. From previous studies, neither of them but an ark like Fermi surface is observed, and the problem still remains.

そこで本研究で我々は、構造的に平らでかつ電荷分布が均一で綺麗な超伝導結晶面を内部にもつ5層型の銅酸化物高温超伝導体に着目し、高いエネルギー分解能を持つレーザーを用いた角度分解光電子分光による電子構造の精密観測(図2-1)と強い磁場を用いた量子振動測定(図2-2)により、反強磁性の中で高温超伝導電子が共存していることを観測しました^2-1。これらの結果はこれまでの多くの先行研究で見せていた理論と実験間、または異なる手法の実験間での食い違いの結果とは異なり、非常に良い実験結果の一致を見せています。本成果に基づいて、近藤研究室では多層型銅酸化物高温超伝導体を調べることで、高温超伝導とモット絶縁体との関係を紐解き、高温超伝導の機構解明に近づくことを目指しております。

In this research, we focus on the five-layer cuprate superconductor which has a structurally flat and homogeneously doped superconducting layer. From the observation of electronic structure by the high-resolution laser-ARPES (Fig. 2-1), and quantum oscillation measurement with high field (Fig. 2-2), we observe the electrons forming Cooper pairs in the antiferromagnetic order^2-1. These two results show good agreement, different from previous reports which showed disagreement between theoretical calculation and experiment, or between different measurements. Based on these results, in Kondo-lab, we aim to get close to the mechanism of high-temperature superconductivity by revealing the relationship between high-temperature superconductivity and Mott insulator through the research on multi-layered cuprate.

2-1: So Kunisada et al., Science 369, 833 (2020)

3. トポロジカル物質の電子状態観測

3. Electronic structure of topological materials

バンドの縮退や反転などで特徴づけられるバンドのトポロジーによって、通常の物質と区別されるトポロジカル物質と呼ばれる物質群があります。トポロジカル絶縁体やWeyl半金属はその代表例であり、近年爆発的な勢いで研究されています。これら2つのトポロジカル物質に関する我々の研究成果を紹介します。

Topological materials are distinguished from normal (topologically trivial) materials by band topology characterized by band degeneration and inversion. Topological insulators and Weyl semimetals are famous examples of them, and recently they have been studied rapidly. Here we introduce our research on these two kinds of topological materials.

トポロジカル絶縁体は、時間反転対称性の存在下でのみ定義される(対称性に保護された、といいます)非自明なトポロジカル数を持つ物質です。トポロジカル数はいくつかの整数のみを値にとるため、トポロジーによる物性はひずみや不純物などの摂動に強いという特徴があります。トポロジカル絶縁体は、結晶内部は通常の絶縁体ですが、結晶の表面やエッジに価電子帯と伝導帯をつなぐような金属的電子状態を持ちます。

Topological insulators have nontrivial topological numbers defined in time-reversal symmetry. Only a few integers can be a topological number, so material characteristics associated with topology are hardly affected by distortion and impurity. While the inside of a topological insulator is a normal insulator, it has metallic electronic states on the surface or edge of a crystal, which connect conduction and valence states.

トポロジカル絶縁体は2005年に理論提案がなされ、現在も理論・実験の両面で盛んに研究が行われています。最初に実験で確認されたのは、結晶の表面すべてに金属的電子状態を持つ強いトポロジカル絶縁体でした。我々は、高分解能レーザーARPESと放射光顕微ARPESを組み合わせることで、結晶の側面のみにトポロジカルな表面状態が現れる弱いトポロジカル絶縁体の電子状態を世界で初めて観測しました(図3-1)^3-1。また、時間反転対称性に保護された従来のトポロジカル絶縁体に加えて、結晶の対称性に保護された非自明なトポロジカル数によっても、トポロジカルな電子状態は出現します。特に近年、3次元結晶のエッジにのみ特異な電子状態を持つ高次トポロジカル絶縁体の存在が理論的に提案されました。我々は、レーザーを使った精密測定によってバルクバンドギャップ中の一次元状態を観測することで、実際の結晶中での高次トポロジカル絶縁体の実現を示しました(図3-2)^3-2。2007年頃から注目されているトポロジカル絶縁体ですが、実験的には未検証の理論予想も多く存在します。私たちは電子状態観測による様々なトポロジカル現象の解明を進めています。

Topological insulators were theoretically proposed in 2005, and they have been studied theoretically and experimentally. First, a strong topological insulator, which has metallic surface states on all crystals surfaces, was experimentally identified. We observed the electronic states of a weak topological insulator for the first time, which has metallic surface states only on the side surfaces of a crystal, by the combination of high-energy-resolution laser ARPES and microscopic synchrotron ARPES (Fig. 3-1)^3-1. In addition to conventional topological insulators, nontrivial topological numbers associated with crystal symmetries also produce topological surface states. Recently, theorists proposed higher-order topological insulators with nontrivial electronic states only on the edges of three-dimensional crystals. We experimentally observed one-dimensional electronic states between the bulk bandgap of a higher-order topological insulator by precise ARPES measurements with a laser (Fig. 3-2)^3-2. While topological insulators have been of interest since around 2007, many theoretical predictions are not yet investigated experimentally. We study many topological phenomena by directly observing the electronic states of such materials.

3-1: Ryo Noguchi et al., Nature 566, 518 (2019).

3-2: Ryo Noguchi et al., Nature Materials 20, 473 (2021).

Weyl半金属は、時間反転対称性または空間反転対称性の破れを起源とするトポロジカル物性をもつ物質群です。対称性の破れによりBerry曲率と呼ばれる物理量が非自明になり、波数空間における磁場として電子状態を変化させます。その結果、異常Hall効果(外部磁場がなくても、電流と垂直に起電力が誘起される現象)などの特異な物性が現れ、デバイスへの応用という観点からも注目されています。

Weyl semimetals have topological characters originating from broken time-reversal or inversion symmetries. Broken symmetry causes nontrivial Berry curvature, which modulates electronic states as a magnetic field in the reciprocal space. As a result, the anomalous Hall effect (Hall effect without magnetic field) is induced. Such properties can be applied to fabricate more efficient devices.

Weyl半金属では、バンドの縮退点(Weyl点)がモノポールとしてBerry曲率に寄与するため、バンド分散の直接観測がWeyl半金属かどうかを決定づけます。我々は時間反転対称性の破れたWeyl半金属(Weyl磁性体)の電子状態観測に世界で初めて成功しています(図3-3)^3-3。Weyl半金属も2011年に理論提案がなされたばかりの新しい物質群であり、理論的に提案された候補物質の電子状態観測を通してWeyl半金属の研究分野を開拓しています。

Since band degenerations at points (Weyl points) contribute to Berry curvature as monopoles, observation of these band dispersions directly identifies Weyl semimetals. We observed band dispersions of a magnetic Weyl semimetal with broken time-reversal symmetry for the first time (Fig. 3-3)^3-3. Weyl semimetals were theoretically proposed in 2011, and we continue to develop the research field of Weyl semimetals by the investigation of theoretically proposed candidates.

3-3: Kenta Kuroda et al., Nature Materials 16, 1090 (2017).

4. 強相関電子系が示す特異な物理現象の解明

4. Strongly correlated systems

物質中に含まれる10²³個もの電子は互いに、そして時として格子やスピンなど周囲の環境と相互作用しながら協奏的に運動することで、個々の電子の振る舞いからは全く予想もつかない新奇な現象を織り成します。こうした現象の舞台となるのが、強相関電子系と呼ばれる物質群です。強相関電子系には遷移金属化合物(d電子系)や希土類化合物(f電子系)などが含まれますが、これらの物質に含まれるd電子やf電子では本質的に電子同士の相関が強く、磁性や近藤効果、スピン/電荷秩序といった量子現象が頻繁に現れます。しかし、膨大な数の電子による強相関効果は大変複雑で難解であり、起源を解明し制御することは現代の物理学が掲げる大きな目標の1つです。

As many as 10²³ electrons in a solid can strongly interact with each other and the background, such as phonons and spins. As a result, their harmonic behaviors create interesting phenomena that are unpredictable from the individual electrons. This type of materials is called 'strongly correlated systems.' Strongly correlated systems include transition metal compounds (d-electron systems), rare-earth intermetallic compounds (f-electron systems) and so on. The d-electrons or f-electrons have a strong electronic correlation, so as to exhibit novel quantum phenomena like magnetism, Kondo physics, or spin/charge density wave. However, the strong many-body interaction by huge numbers of electrons is very complicated and hard to understand. Thus, interpretations and controls of the interactions are one of the major goals of modern physics.

近藤研究室ではこうした強相関電子系に注目して、ARPESを中心とした電子状態観測で得られるミクロな視点で新規な強相関電子機構の解明や開拓を目指しています。我々の研究成果から、CeSbの「悪魔の階段」における劇的な電子状態の再構成について紹介します。CeSbは膨大な数ある磁性体の中で最も複雑な磁性を示す物質の1つとして知られていおり、わずかな温度で次々と磁気配列を変化させます。この現象は、その複雑怪奇さから「悪魔の階段」として知られ、1977年の発見から40年以上経った現在でもメカニズムが謎のままでした。私たちは、この「悪魔の階段」における電子状態を、高い空間分解能を有する顕微 レーザーARPESで測定し、伝導電子の運動状態が磁気相転移ごとに劇的に変化する様子を初めて捉えることに成功しました(図4-1)^{4-1, 4-2}。この結果は本来自由に動き回るはずの伝導電子が 4f電子の局在磁気モーメントが織りなす超周期構造と協奏状態にある事を示しています。この研究成果は、40年以上もの長い間謎とされてきた固体物理の問題に新たな知見をもたらした極めて重要な結果です。

We try to explore these strongly correlated systems from the viewpoint of the microscopic electronic structure, mainly by ARPES. As one of the examples, we show a dramatic electronic reconstruction in the 'devil's staircase' of CeSb here. CeSb presents one of the most complex magnetic phase transitions, in which various long-periodic magneto-structures sequentially appear one after another with decreasing temperature. This strange phenomenon is known as the 'devil's staircase', and its mechanism has remained out of reach so far, more than 40 years after its discovery. We observed the electronic structure in the 'devil's staircase' by microscopic laser ARPES and revealed its dramatic variation with each magnetic phase transition (Fig. 4-1)^{4-1, 4-2}. This result indicates that the itinerant electrons are harmonically correlated with a superstructure of the localized magnetic moments of 4f electrons. This brings new insight into the significant interplay between the itinerant electrons and the localized electrons to the long-standing mystery of solid-state physics.

4-1: Kenta Kuroda, Yosuke Arai et al., Nature Communications 11, 2888 (2020).

4-2: Yosuke Arai, Kenta Kuroda et al., Nature Materials in press.

5. 表面・薄膜の2次元電子状態

5. Two-dimensional electronic structure in surfaces or thin films

物性研究の対象となることの多い3次元の結晶では、3次元の並進対称性があり、結晶中の電子はこの並進対称性に従った運動をします。一方で数原子層で構成される薄膜試料や結晶の表面では、試料面直方向の並進対称性がなくなり、3次元の結晶内部とは異なった新しい電子状態が実現します。

In three-dimensional crystals, which are often the subject of physical properties research, there is three-dimensional translational symmetry, and electrons in the crystal move following this type of symmetry. In contrast, thin film composed of several atomic layers or crystal surfaces has no translational symmetry perpendicular to the surface, and a new electronic state is realized that differs from the one inside a three-dimensional crystal.

薄膜や表面で生じる特徴的な現象としては、強い空間反転対称性の破れとスピン軌道相互作用によって電子状態が運動量空間でスピン分裂するラシュバ効果があります。Ag(111)表面にBiを1/3原子層だけ蒸着したBi/Ag(111)表面合金はその代表例で、スピン軌道相互作用の大きいBiとAg基板の組み合わせによって巨大なスピン分裂が生ることが知られています。我々は分子線エピタキシー法で作製した高品質薄膜のスピン分裂バンドを高分解能・偏光可変レーザースピン分解光電子分光（laser-SARPES）装置で詳細に調べることで、スピン分裂の機構を明らかにする研究を進めています(図5-1)^5-1。

A characteristic phenomenon that occurs in thin films and crystal surfaces is the Rashba effect, in which the electronic state is spin-split in momentum space due to strong spatial inversion symmetry breaking; Bi/Ag(111) surface alloys, in which only 1/3 atomic layer of Bi is deposited on an Ag(111) surface, are a typical example. It is known that the combination of an Ag substrate and the strong spin-orbit coupling of Bi produces giant spin splitting. We are investigating the mechanism of this giant spin splitting in high-quality thin films fabricated by molecular beam epitaxy by using a high resolution and polarization tunable laser spin-, ang angle-resolved photoemission spectroscopy (laser-SARPES) system (Fig. 5-1).

また原子層レベルで薄く製膜した薄膜試料では、電子が試料内に閉じ込められ、電子状態の量子化が生じます。さらにこのような2次元の電子状態が超伝導となることで、3次元結晶ではなかなか実現しないスピン三重項超伝導の発現も期待されています。薄膜試料のスピン分解laser-ARPESを行うことで、新奇超伝導のような新しい2次元物性の開拓も進めています。

In addition, electrons are confined in thin film samples formed at the atomic layer level, resulting in quantization of the electronic state. Furthermore, it is expected that such two-dimensional electronic states will become spin-triplet superconducting, which is not easily realized in three-dimensional crystals. By performing spin-resolved laser-ARPES on thin film samples, we are also exploring new two-dimensional properties such as novel superconductivity.

5-1: Ryo Noguchi et al., Physical Review B 95, 041111(R) (2017).

6. ³Heを用いた極低温ARPES装置の開発

6. Development of cryogenic ARPES system using  ³He

BCS理論に従わない非従来型の超伝導体として銅酸化物超伝導体が有名です。一方、転移温度の低い超伝導体においても非従来型の超伝導体が多数あり、ネマティック超伝導体、重い電子系超伝導体、トポロジカル超伝導体など様々な興味深い物性を示すものが多く存在します。しかし、従来の液体ヘリウム(⁴He)で冷却する機構を用いたARPES装置では到達可能な温度が数Kとこれらの超伝導体の超伝導状態の電子構造を観測する上で冷却性能が不足しています。そこで我々の研究室では⁴Heの同位体である³Heを用いたARPES装置の開発をしています。³Heは⁴Heと比べ沸点が低く、液化された³Heを減圧により気化させることでより低温を実現することができます。低温と同時にその温度のエネルギースケール(数百μeV)に見合うエネルギー分解能の改良も行い、世界最低温、最高エネルギー分解能をもつARPES装置を目指しています。

Cuprate superconductors are well known as unconventional superconductors that do not follow the BCS theory. On the other hand, there are also many unconventional superconductors with low transition temperatures that exhibit a variety of interesting properties, including nematic superconductors, heavy-fermion superconductors, and topological superconductors. However, the conventional liquid helium (⁴He) cooling mechanism of the ARPES system is insufficient to observe the electronic structure of the superconducting states of these superconductors, because the achievable temperature is only a few K. Therefore, we are developing an ARPES system using ³He, an isotope of ⁴He. ³He has a lower boiling point than ⁴He, and lower temperatures can be achieved by vaporizing liquefied ³He by depressurizing it. We are also working to improve the energy resolution to match the energy scale of the low temperature (few hundred μeV), aiming for the ARPES system with the world's lowest temperature and highest energy resolution.

7. 時間・スピン分解 ARPES 装置の開発

7. Time-, spin-, and angle-resolved photoemission spectroscopy

電子の自転に対応するスピンは、固体中の電子の性質を決める重要な自由度として磁性や輸送など様々な物性の起源を担います。近年のスピントロニクス発展と相まって、電子スピンの分析は基礎科学としての興味だけでなく、応用面からも必要性が高まってきています。スピン分解ARPESを用いれば、電子構造を運動量とエネルギーで分解する従来のARPESの能力に加えて、さらに電子スピンまで分解する、いわば電子状態の完全決定が可能になります。物性研では、長年スピン分解ARPESの装置開発を行っており、この分野で世界をけん引してきました。最近では、7eVレーザーを組み合わせたレーザースピン分解ARPES^7-1,7-2を新たに実現させて、トポロジカル超伝導体の発見^7-3や電子スピン光制御^7-4,7-5で大活躍しました。

Spin of electrons is an important degree of freedom that determines the properties of electrons in solids and is responsible for the origin of various physical properties such as magnetism and transport. Coupled with the recent development of spintronics, the analysis of electron spin is becoming increasingly necessary not only for its interest as a basic science but also for its application. Spin-resolved ARPES enables complete determination of the electron spin, in addition to the conventional ability of ARPES to resolve the electronic structure in terms of momentum and energy. ISSP has been developing spin-resolved ARPES instruments for many years and is a world leader in this field. Recently, we have newly realized laser spin-resolved ARPES^7-1,7-2 combined with a 7eV laser, and have played a major role in the discovery of topological superconductors^7-3 and electron spin optical control^7-4,7-5.

近藤研では、このレーザースピン分解ARPES装置に短パルス高次高調波レーザーを導入することで、ポンプ・プローブスピン分解ARPESへのアップグレードを試みています。導入するレーザーは、物性研の小林研が開発した10.7eVレーザーです。このレーザーの特徴として、100fsの時間分解能と1mWクラスの大強度であるため、高分解能な時間・スピン分解測定が可能になります。この装置を用いて、ポンプ光で励起された物質の姿を、キャリアとスピンのダイナミクスを分離してフェムト秒で観ることで、光誘起スピン現象など光スピントロニクス研究の開拓を目指しています。

Kondo Lab is attempting to upgrade this laser spin-resolved ARPES system to pump-and-probe spin-resolved ARPES by introducing a short-pulse high-order harmonic laser. The laser to be introduced is a 10.7 eV laser developed by Prof. Kobayashi's group at ISSP. This laser features a time resolution of 100 fs order and a high intensity in the 1 mW class, enabling high-resolution time- and spin-resolved measurements. Using this device, we aim to pioneer research on optical spintronics, such as photo-induced spin phenomena, by observing the appearance of materials excited by pump light at femtoseconds, separating carrier and spin dynamics.

7-1: Koichiro Yaji et al., Review of Scientific Instruments 87, 053111 (2016).

7-2: K. Kuroda et al., Journal of Visualized Experiments 136, e57090 (2018).

7-3: Peng Zhang et al., Science 360, 182 (2018).

7-4: Kenta Kuroda et al., Physical Review B 94, 165162 (2016).

7-5: Koichiro Yaji et al., Nature Communications 8, 14588 (2017).

(a) (b)

実験装置

Machines

近藤研究室では、様々な光電子分光技術を駆使した研究に取り組んでいます。

We use various ARPES techniques to investigate electronic structures of crystals.

また、国内外の放射光施設も利用して研究しています。

We are also carrying ARPES experiments at synchrotron light sources around the world.