博士（工学）石岡準也 学位論文題名
Chiral Charge‑Density Waves （カイラル電荷密度波）
学位論文内容の要旨
自 然 界 に は 様 々 を 対 称 性 が 存 在 し 、 物 理 法 則 を 支 配 し て い る 。 系 の 秩 序 化 が 進 む こ と で 、 対 称 性 は 自 発 的 に 破 れ る 。 特 に 、 基 底 状 態 の 記 述 に は 様 々 を 秩 序 パ ラ メ ー タ が 用 い ら れ る 。 系 の 構 成 要 素 の 異 方 性 や 、 秩 序 化 の メ カ ニ ズ ム に よ っ て 、 秩 序 パ ラ メ ー タ に も 自 由 度 が 生 じ る 。 逆 に 言 え ば 、 秩 序 パ ラ メ ー タ の 新 た を 自 由 度 の 有 無 を 調 べ る こ と は 、 多 様 な 基 底 状 態 に 伴 う 新 規 物 理 現 象 の 発 見 に っ を が る た め 非 常 に 重 要 で あ る 。 素 粒 子 物 理 と の 対 応 関 係 を 探 る 上 で も 意 義 が あ る 。
本 研 究 で は 、 二 次 元CDWと し て 知 ら れ て い るMX2群 の 中 か ら 、 特 に ネ ス テ ィ ン グ ベ ク ト ル に 眉 間 方 向 成 分 を 元 々 含 む1TTiSe2を 選 ん で 、 そ のCDWの 構 造 に つ い て 走 査 ト ン ネ ル 顕 微 鏡 と 二 色 ポ ン プ プ ロ ー ブ 測 定 法 を 用 い て 、CDWの 空 間 分 布 と 空 間 対 称 性 の 変 化 を 調 べ た 。 そ こ で 新 た を オ ー ダ ー の 自 由 度 を 見 出 し た 。 さ ら に 、 系 の オ ー ダ ー パ ラ メ タ を 再 考 す る た め 、 余 剰Ti原 子 を 層 間 イ ン タ ー カ レ ← シ ョ ン に よ っ て 含 む 試 料 を 作 成 し 、 そ の 荷 電 不 純 物 の 周 り に 誘 起 さ れ る フ リ ー デ ル 振 動 を STMで 観 測 し た 。 第 一 章 で は 、 序 論 と し て 本 研 究 の 背 景 と 目 的 を 述 べ た 。 さ ら に 、 今 ま で に 報 告 さ れ て い る 様 々 な 系 に お け る カ イ ラ リ テ ィ の 発 現 に 関 し て 記 述 し た 。 電 荷 密 度 波 の 基 本 的 メ カ ニ ズ ム や 、 典 型 的 二 次 元CDWの 対 称 性 に つ い て 論 じ た 。
第 二 章 で は 、 本 研 究 に 用 い た1TTiSe2の 結 晶 合 成 、 特 性 評 価 に つ い て 述 べ る 。 本 実 験 で 用 い た 走 査 ト ン ネ ル 顕 微 鏡 の 基 本 原 理 と 、 清 浄 試 料 表 面 を 得 る た め に 極 め て 重 要 を 低 温 真 空 劈 開 法 に つ い て 述 べ た 。 系 の 層 間 方 向 の 情 報 も 含 ん だ 領 域 の 対 称 性 を 調 べ る た め に 行 っ た 二 色 ポ ン プ プ ロ ー ブ 法 の 概 要 と 光 学 系 お よ び 測 定 条 件 に つ い て 述 べ た 。 第 三 章 で は 、 カ イ ラ ル 電 荷 密 度 波 の 発 見 に つ い て 述 べ た 。lT‑TiSe2に お い て 走 査 ト ン ネ ル 顕 微 鏡 測 定 を 行 っ た 結 果 、 低 対 称 の 電 荷 密 度 分 布 構 造 を 発 見 し た 。 格 子 方 向 に 沿 っ て 調 べ た ト ン ネ ル 電 流 の ラ イ ン プ ロ フ ん イ ル か ら1：O．7：O．5ほ ど の 電 荷 密 度 波 の 強 度 差 と な る 。
STMイ メ ー ジ の フ ー リ 工 変 換 像 か ら 、 試 料 全 体 に わ た っ て 電 荷 密 度 の 振 幅 差 が 順 序 付 け で き る 事 が わ か っ た 。 お 互 い に 反 対 周 り に 順 序 付 け 可 能 を ニ 種 類 の 相 を 発 見 し た 。 一 般 に 、 三 角 格 子 系 のCDWの ネ ス テ ィ ン グ ベ ク ト ル が3本 あ る 場 合 、 ト リ プ ルqのCDWと 呼 ば れ る 。 典 型 的 を ト リ プ ルqのCDWか ら 予 想 さ れ る 三 回 対 称 性 は を か っ た 。 表 面 情 報 で あ るSTM測 定 デ ー タ に 対 し 、c軸 方 向 に も 侵 入 で き る 光 パ ル ス プ ロ ー ブ を 用 い て 偏 光
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依 存 性 を 調 べ た 結 果 、 二 回 対 称 の 光 学 応 答 を 発 見 し た 。 こ れ ら の 結 果 を 二 次 元CDWの 配 置 モ デ ル で 説 明 す る こ と が で き な い た め 、c軸 成 分 に 着 目 し た3次 元 モ デ ル を 提 案 し た 。 3成 分 の 電 荷 密 度 波 を 、 層 間 方 向 に 均 等 に 配 置 す る 位 相 差 を 導 入 し た 。 等 し い 強 度 の3成 分CDWを 分 離 配 置 す る こ と に よ り 、 各 原 子 面 内 で 二 回 対 称 が 実 現 さ れ る 。 探 針 と そ れ ぞ れ のCDW面 と の 距 離 差 に よ っ て 、STMの 測 定 で は 三 成 分 の 振 幅 比 と し て 現 れ る こ と で 説 明 で き る 。3つ のCDWの 配 置 の 順 番 の 異 な る 相 が 互 い に 鏡 映 反 転 の 関 係 で あ る こ と か ら 、 カ イ ラ ルCDWで あ る 。 実 験 結 果 を 矛 盾 を く 説 明 で き る 。 さ ら に 、 カ イ ラ ルCDWの オ ー ダ ー パ ラ メ タ を 一 般 化 し た 。H=ニql． （ 心xq3)と 定 義 し たCDWの へ り シ テ ィ は ト リ プ ルqの ネ ス テ ィ ン グ ベ ク ト ル が ー つ の 面 内 に 存 在 で き を い こ と を 条 件 に 正 負 の 二 値 を と る 。 一 方 典 型 的 を 二 次 元CDWで はHニ ニql．(q2xq3)は0に を る の で カ イ ラ リ テ ィ が な い 。 以 上 よ り 、 フ ェ ル ミ 面 の 特 殊 性 か ら あ ら わ に を るCDWカ イ ラ リ テ ィ を 明 ら か に し た 。
第 四 章 で は 、 カ イ ラ ル 電 荷 密 度 波 に お け る フ リ ー デ ル 振 動 の 発 見 に つ い て 述 べ た 。 層 状 化 合 物 で あ るMX2群 は 、c軸 方 向 に フ ア ン デ ル ワ ー ル ス カ で 積 層 し て お り 、 層 間 に は 様 々 を 不 純 物 を イ ン タ ー カ レ ー ト さ せ る こ と が で き る 。 カ イ ラ ルCDWの オ ー ダ ー パ ラ メ タ の 対 称 性 を 調 べ る こ と を 目 的 と し て 、Tiを 自 己 イ ン タ ー カ レ ー シ ョ ン さ せ て 作 成 し た 試 料 のSTM測 定 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、Se母 格 子 とCDWの 電 荷 分 布 を バ ッ ク グ ラ ウ ン ド に 三 角 形 状 の 電 荷 局 在 構 造 を 発 見 し た 。 原 子 数 個 分 の 滅 衰 長 を 持 っ た め 、 フ リ ー デ ル 振 動 で あ る と 考 え ら れ る 。 こ の 三 角 形 に つ い て 強 度 分 布 を 調 べ た 結 果 、 元 々 のCDWの カ イ ラ リ テ ィ と は 逆 向 き の カ イ ラ リ テ ィ を 持 つ こ と が 分 か っ た 。 一 方 で 、 ホ ー ル の 局 在 も 強 度 分 布 を 持 つ こ と が 分 か っ た 。 こ れ ら の 結 果 は 電 荷 密 度 波 の カ イ ラ リ テ ィ の 存 在 を よ り 強 く 示 す 結 果 で あ る 。 こ の 結 果 を 説 明 す る た め に 、 イ ン タ ー カ レ ー シ ョ ン の 原 子 の 作 る 鏡 映 面 に 着 目 し た 。 カ イ ラ リ テ ィ の 反 転 が 鏡 映 面 で 起 こ っ た 結 果 、Se原 子 面 で 逆 巻 き の フ リ ー デ ル 振 動 が 起 き る 。 カ イ ラ ルCDWと フ リ ー デ ル 振 動 を 右 巻 き 電 子 左 巻 き 電 子 の 二 成 分 系 で 表 す こ と で 、 実 験 結 果 を 矛 盾 を く 説 明 す る こ と が で き る 。 ホ ー ル と 電 子 の フ リ ー デ ル 振 動 の 関 係 は 互 い に 逆 巻 き で あ る こ と か ら カ イ ラ ルCDWは 電 荷 パ リ テ ィ 対 称 性 を 保 存 す る 。 ま た 、 フ リ ー デ ル 振 動 は 強 磁 場 に 対 し て 振 幅 が 増 強 さ れ る こ と か ら 、 新 た を 磁 場 効 果 の 研 究 の 可 能 性 が あ る こ と も こ こ で 述 べ て お く 。
第 五 章 で は 、 本 論 文 の 研 究 成 果 を 総 括 し た 。
以 上 、 本 研 究 は1TTiSe2単 結 晶 を 用 い て 、 電 荷 密 度 波 の 新 た を オ ー ダ ー パ ラ メ タ の 自 由 度 を 調 べ る こ と を 目 的 と し て 、 軸 性CDWが 存 在 す る こ と を 明 ら か に し た 。 さ ら に 、 電 荷 密 度 波 の カ イ ラ リ テ ィ は 、 不 純 物 に 対 し て も 相 互 作 用 を す る こ と を 明 ら か に し た 。
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学位論文審査の要旨
主査 副査 副査 副査 副査
教 授 教 授 教 授 教 授 准 教 授
丹 田 矢 久 保 折 原 小 田 市 村
学 位 論 文 題 名
聡 考 介 宏
研（理 学研究院物理学部門）
晃 一
Chiral Charge ーDensity Waves （カイラル電荷密度波）
自然界には様々た対称性 が存在し、物理法則を支配している。系の秩序化が進むことで、対称性 は自発的に破れる。特に、 基底状態の記述には様々を秩序パラメータが用いられる。系の構成要素 の異方性や、秩序化のメカ ニズムによって、秩序パラメータにも自由度が生じる。逆に言えば、秩 序パラメータの新たな自由 度の有無を調べることは、多様を盤底状態に伴う新規物理現象の発兇に っ を が る た め 非 常 に 重 要 で あ る 。 素 粒 子 物 理 と の 対 応 関 係 を 探 る 上 で も 意 義 が あ る 。 本 研究 では 、二 次 元CDWと して 知ら れて いるMX2群の 中 から 、特 にネ ステ ィング ベクトルに 層間 方向 成分 を元 々 含むlT‑TiSe2を 選ん で、 そのCDWの 構造について走査トンネル 顕微鏡と二 色ポ ンププローブ測定法を用 いて、CDWの空間分布と空間 対称性の変化を調べた。そ こで新たを オーダーの自由度を見出し た。さらに、系のオーダーパ ラメタを再考するため、余剰Ti原子を眉 間インターカレーションに よって含む試料を作成し、その荷電不純物の周りに誘起されるフリーデ ル振動をSTMで観測した。
第一章では、序論として 本研究の背景と目的を述べた。さらに、今までに報告されている様々を 系におけるカイラリティの 発現に関して記述した。電荷密度波の基本的メカニズムや、典型的二次 元CDWの対称性について論じ た。
第二章では、本研究に用 いたlT‑TiSe2の結晶合成、特 性評価について述べる。本実験で用いた 走査トンネル顕微鏡の基本 原理と、清浄試料表面を得るために極めて重要を低温真空劈開法につい て述べた。系の層間方向の 情報も含んだ領域の対称性を調べるために行った二色ポンププローブ法 の概要と光学系および測定 条件について述べた。
第三章では、カイラル電 荷密度波の発見について述べた。1TTiSe2において走査トンネル顕微鏡 測定を行った結果、低対称 の電荷密度分布構造を発見した。格子方向に沿って調べたトンネル電流 の ラ イ ン プ ロ フ ん イ ル か ら1： 0.7： 0.5ほ ど の 電 荷 密 度 波 の 強 度 差 と を る 。 STMイメージのフーリ工変 換像から、試料全体にわたっ て電荷密度の振幅差が順序 付けできる 事がわかった。お互いに反 対周りに順序付け可能な二種類の相を発見した。一般に、三角格子系の CDWの ネ ス テ ィ ン グ ベ ク ト ル が3本 あ る場 合、 ト リプ ルqのCDWと呼 ば れる 。典 倒的 なト リ プ ルqのCDWか ら 予 想 さ れ る 三 回 対 称 性 はを かっ た 。表 面情 報で あるSTM測定 デ ータ に対 し、c 軸方向にも侵入できる光パ ルスプローブを用いて偏光依存性を調べた結果、二回対称の光学応答を
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発 見 し た 。 こ れ ら の 結 果 を 二 次 元CDWの 配 置 モ デ ル で 説 明す る こ と が でき を い た め 、c軸 成 分 に 着 目 し た3次 元 モ デ ルを 提 案 し た 。3成 分 の 電 荷密 度 波 を 、 層間 方 向 に 均 等 に配 置 す る 位 相差 を 導 入 し た 。等 し い 強 度 の3成 分 く ニDWを 分 離 配 置す る こ と に よ り、 各 原 子 面 内で 二 回 対 称が実 現され る 。 探 針 と そ れ ぞ れ のCDW面 と の 距 離 差 に よ っ て 、STMの 測 定 で は 三 成 分 の 振 幅 比 と し て 現 れ る こ と で 説 明 で き る 。3つ のCDWの 配 置 の 順 番 の 異 を る 相 が 互 い に 鏡 映反 転 の 関 係 であ る こ と か ら 、 カ イ ラ ルCDWで あ る 。 実 験 結 果 を 矛 盾 を く 説 明 で き る 。 さ ら に 、 カ イ ラ ルCDWの オ ー ダ ー パ ラ メ タ を 一 般 化 し た 。H=ニql．(q2Xq3)と 定 義 し たCDWの へ り シ テ ィ は ト リ プ ルqの ネ ス テ ィ ン グベ ク ト ル がーつ の面内 に存在 でき ないこ とを条 件に正 負の 二値を とる。 一方典 型的′ よ二 次 元CDWで はH ql．(q2Xq3)は0に を る の で カ イ ラ リ テ ィ が な い 。 以 上 よ り 、 フ ェ ル ミ 面 の 特 殊 性 から あ ら わ に な るCDWカ イラ リ テ ィ を 明ら か に し た 。
第 四章 で は 、 カ イラ ル 電 荷 密 度波 に お け る フ リー デ ル 振 動 の発見 につい て述べ た。 層状化 合物で あ るMX2群 は 、c軸 方 向 に フ ァ ン デ ル ワ ー ル ス カ で 積 層 し て お り 、 層 間に は 様 々 を 不純 物 を イ ン タ 一 カ レ ー ト さ せ る こ と が で き る 。 カイ ラ ルCDWの オ ー ダ ーパ ラ メ タ の 対 称性 を 調 べ る こと を 目 的 と し て 、Tiを 自 己 イ ン タ ー カ レ ー シ ョ ン さ せて 作 成 し た 試 料のSTM測定 を 行 っ た 。そ の 結 果 、 Se母 格 子 とCDWの 電 荷 分 布 を バ ッ ク グ ラ ウ ン ド に 三 角 形 状 の 電 荷 局 在 構 造 を 発 見 した 。 原 子 数 個 分 の 減衰 長 を 持 っ た め、 フ リ ー デ ル振 動 で あ る と考 え ら れ る。 この三 角形に ついて 強度分 布を 調 べ た 結 果 、 元 々 のCDWの カ イ ラ リ テ ィ と は 逆 向 き の カ イ ラ リ テ ィ を 持 つ こ と が 分 か っ た。 一 方 で 、 ホ ール の 局 在 も 強 度分 布 を 持 つ こと が 分 か っ た。 こ れ ら の結 果は電 荷密度 波のカ イラリ ティ の 存 在 を より 強 く 示 す 結 果で あ る 。 こ の結 果 を 説 明 する た め に 、イ ンター カレー ション の原子 の作 る 鏡 映 面 に 着 目 し た 。 カイ ラ リ テ ィ の反 転 が 鏡 映 面 で起 こ っ た 結 果、Se原 子 面で 逆 巻 き の フリ ー デ ル 振 動 が 起 き る 。 カ イ ラ ルCDWと フ リ ー デ ル 振動 を 右 巻 き 電子 左 巻 き 電 子 の二 成 分 系 で 表す こ と で 、 実 験結 果 を 矛 盾 を く説 明 す る こ とが で き る 。 ホー ル と 電 子の フリー デル振 動の関 係は互 いに 逆 巻 き で あ る こ と か ら カ イ ラ ルCDWは 電 荷 パ リ ティ 対 称 性 を 保存 す る 。 ま た 、フ リ ー デ ル 振動 は 強 磁 場 に 対し て 振 幅 が 増 強さ れ る こ と から 、 新 た を 磁場 効 果 の 研究 の可能 性があ ること もここ で述 べ て お く 。
第 五章 で は 、 本 論文 の 研 究 成 果を 総 括 し た 。
以 上 、 本 研 究 は1TTiSe2単 結 晶 を 用い て 、 電 荷 密度 波 の 新 た をオ ー ダ ー パ ラメ タ の 自 由 度 を調 べ る こ と を 目 的 と し て 、 軸 性CDWが 存 在 す る こと を 明 ら か にし た 。 さ ら に 、電 荷 密 度 波 のカ イ ラ リ テ ィ は、 不 純 物 に 対 して も 相 互 作 用を す る こ と を明 ら か に し た。
こ れ を 要す る に 、 著 者 は、 固 体 電 子 結晶 に お い て 初め て カ イ ラル 渦やそ の反渦 を発見 し、そ の存 在 メ カ ニ ズム を 明 ら か に した 。 こ の こ とは 固 体 物 理 だけ で を く 物理 学全般 に対し 重要な 知見を 与え た こ と に な る 。 よ っ て 著者 は 北 海 道 大学 博 士 （ 工 学 ）の 学 位 を 授 与さ れ る 資 格 ある も の と 認 める 。
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