量子電子材料研究チーム
Quantum Electronic Materials Research Team
チームリーダー辛埴SHIN, Shik

SPring-8，FEL，レーザー等の超高輝度軟 X 線を利用して，光電子，軟 X 線発光，光散乱等の実験を行い，半導体，磁性体，生体物質，分子性結晶などの量子材料について，固体の電子物性の解明を行う。当研究チームでも PLD 等で試料作成を行いつつ，外部研究者との連携を深めることによって，新規量子材料の開発を積極的に行っていく予定である。特に，以下の研究を長期的な展望にたって行っていく予定である。
（1）輸送現象の解明
高分解能軟 X 線発光分光器，高分解能光電子分光器を開発することにより，超伝導，強相関，電気伝導性ナノ物質の輸送現象に携わる電子状態（2）表面吸着物質の研究，表面ナノ構造物質の研究
化学結合状態，低次元電子状態の研究（3）光による電子状態や輸送現象の制御
1. 硬 X 線内殻光電子分光による Mn 酸化物，銅酸化物の研究（高田，Chainani, 田口 ＊2 ，堀場 ＊1 ，鎌倉 ＊1 ）高輝度放射光光源の発展に伴い，高分解能での硬 X 線
内殻光電子分光測定が近年可能となってきている。当研究チームでは，興味ある強相関物質群に対して硬 X 線を用いた内殻光電子分光を行っている。特に銅酸化物高温超電導体や金属絶縁体転移を示す Mn 酸化物において，従来の軟X 線光電子分光測定では見られなかった新しい構造が発見された。更に我々は，原子内多重項効果を含む不純物アンダーソン模型にフェルミ順位近傍のコヒーレント状態からのスクリーニング効果を新たに取り入れ，理論解析を行った。その結果，実験とのよい一致を得ることに成功した。

希薄磁性半導体はその電荷と磁性の 2 つの自由度を利用した新しい応用材料としてだけではなく，強磁性発現機構
について物性物理学的にも非常に注目を集めている物質である。当研究チームでは，近年発見された室温で強磁性を示す希薄磁性半導体である Ga1−x Crx N について，SPring-8の高輝度放射光を用いた軟 X 線発光分光および，内殻吸収分光による電子状態の研究を行っている。その結果，母物質である GaN の電子状態は変化させずに，価電子帯の頂上および伝導帯の直下に N 2 p 軌道と Cr 3d 軌道が混成することによって生成された新たな状態が形成されていることを観測した。この新たな状態はバンド計算との比較により強磁性発現に強く関係していることが分かった。

2. 軟 X 線高分解能光電子分光による酸化バナジウムの研究（鎌倉 ＊1 ，高田，Chainani, 堀場 ＊1 ，田口 ＊2 ）モット・ハバード金属絶縁体転移を示す V2 O3 やモット・ハ
バード型の強相関金属として知られている SrVO3 , CaVO3について内殻光電子分光を行った。V2 O3 の V 2 p 内殻光電子スペクトルでは，金属相においてメインピークの低結合エネルギー側に新たな構造が観測された。V 2 p スペクトルの温度変化やクラスター計算から，金属相において観測されている低結合エネルギー側の構造は，フェルミレベルにあるコヒーレント部分によるスクリーニングによるものであることが明らかになった。一方，SrVO3 と CaVO3 の V
2 p スペクトルにも，メインピークの低結合エネルギー側にブロードな構造が観測されている。光エネルギー依存性から，SrVO3 と CaVO3 で観測されている低結合エネルギー側の構造についても，well screening によるものであることが示された。これらの研究は，強相関電子系の金属相ではバルクにおいてより有効な well screening による構造が内殻光電子スペクトルに現れることを示している。

4. Ce 系充填スクッテルダイト化合物の混成効果と電子状態（Chainani，松波 ＊2 ）充填スクッテルダイト化合物は構成元素の置換により多彩な強相関電子物性を発現する物質群であり，近年多くの注目を集めている。本研究では充填スクッテルダイト化合物 CeFe4 P12 ，および CeOs4 Sb12 を取り上げ，Ce 3d 内殻光電子分光，Ce 3d-4f X 線吸収分光，Ce 3d-4f 共鳴光電子分光の手法を用いてその電子状態を調べた。Ce 3d 内殻光
電子スペクトルにおいて，CeFe4 P12 では混成強度を反映する f0 ，f2 終状態に対応する構造が明確に観測されたが，CeOs4 Sb12 には観測されなかった。また Ce 3d-4f 共鳴光
電子スペクトルの結果から，これらの物質の半導体的性質
が伝導電子と f 電子との混成効果により生じており，そのギャップの大きさは混成強度の違いによって説明できると考えられる。

3. 軟 X 線発光・吸収分光による希薄磁性半導体の研究（竹内 ＊3 ，原田 ＊1 ，徳島 ＊2 ，田口 ＊2 ，Chainani，高田）

By using high brilliant soft X-ray light from SPring8 in combination with, FEL and LASER, the electronic

理研研究年報＊1

連携研究員，＊2 基礎科学特別研究員，＊3 研修生

1063

structure of the quantum materials are studied as follows:
1. Ultrahigh-resolution hard x-ray photoemission study on Mn oxides and Cu oxides
With the development of high-brilliance synchrotron
radiation sources, hard X-ray photoemission spectroscopy(PES) with a resolution of 240 meV at a photon energyof 5.95 keV has recently became available. Here, we report bulk sensitive hard X-ray PES of transition metal(TM) 2 p core-level for various TM compounds (Sr doped
LaMnO3 and high-Tc cuprates). Unlike conventional soft
X-ray PES, TM 2 p core-level Hard X-ray PES spectra
show additional well-screened features with signiﬁcantly
large intensity in addition to the 2 p5 3dn and 2 p5 3dn+1 L
features. The structure and position of the main peakand satellite structures are well explained by the impurity
Anderson model including intra-atomic multiplet structure
and a metallic screening channel derived from doping induced states at Fermi Energy. The present approach reveals features that are hidden in soft- X-ray photoemission
spectroscopy as a reliable probe of bulk properties.
2. Ultrahigh-resolution soft x-ray photoemission
study on vanadium oxides
Here, we report the result on single-crystals V2 O3 ,SrVO3 , and CaVO3 . V2 O3 shows the Mott-Hubbard
metal-insulator transition. SrVO3 and CaVO3 are strongly
correlated metals for studying the Mott Hubbard system.
Metallic V2 O3 shows additional features at low binding energy to the main peak of V core level. The temperaturedependence of V 2 p spectrum and the cluster calculation
show that the low-binging energy features in the metallic
phase come from core hole screening by coherent states at
the Fermi level. The V 2 p spectra of SrVO3 and CaVO3
show the broad features at the low binding energy to themain peak. The photon energy dependence of the spectra
indicates that the low binding energy features of SrVO3and CaVO3 also originated by the well-screening features.
These studies have demonstrated that well screening features which are eﬀective in the bulk appear the metallic
phase of strongly correlated system.
3. Photoemission and soft X-ray emission spectroscopy of Diluted magnetic semiconductor
Diluted magnetic semiconductor (DMS) have received
much attention due to their physical properties and applications. Recently, room temperature ferromagnetic DMSof transition metal (Cr or Mn) doped GaN was predicted
theoretically, and was grown by molecular beam epitaxy
method. In this work, we study the electronic structureof room temperature ferromagnetic DMS Ga1−x Crx N byusing soft x-ray emission spectroscopy (SXES) and x-ray
absorption spectroscopy (XAS). A systematic study of thechanges in the occupied and unoccupied ligand (N) partial density of states (DOS) of the host lattice are carriedout using N 1s soft x-ray emission and absorption spectroscopy, respectively. Ferromagnetic Ga1−x Crx N showsa new feature derived from N 2 p states hybridized with
Cr 3d states, which are located in the band gap of GaN.
Coupled changes in the occupied and unoccupied N 2 p
character DOS of Ga1−x Crx N identify states responsible
for ferromagnetism.
4. Hybridization eﬀect and the electronic structure in Ce-ﬁlled Skutterudites
The ﬁlled skutterudite compounds have attracted muchattention since they exhibit a variety of strongly correlated

1064

electron phenomena. In this work, we have performed Ce
3d core level photoemission spectroscopy (PES), Ce 3d-4f
absorption spectroscopy, and Ce 3d-4f resonant PES on theﬁlled skutterudites CeFe4 P12 and CeOs4 Sb12 . For Ce 3dcore level PES spectra of CeFe4 P12 , three peak structuresdue to f0 , f1 and f2 ﬁnal states were clearly observed. On
the other hand, no clear f0 and f2 structures were observedfor CeOs4 Sb12 . From the results of 3d-4f absorption andresonant PES spectra, the diﬀerence of their spectral properties can be explained by the degree of c-f hybridization.

Staﬀ
Head
Dr. Shik SHIN

Members
Dr. Yasutaka TAKATA
Dr. Ashish CHAINANIDr. Koji HORIBA
Dr. Nozomu KAMAKURA
Dr. Yoshihisa HARADA
Dr. Tadashi TOGASHI
Dr. Masaki OURA
Dr. Munetaka TAGUCHI＊
Dr. Masaharu MATSUNAMI＊
Dr. Takashi TOKUSHIMA＊＊

Special Postdoctoral Researcher

Visiting Members
Prof. Ernst E. KURMAEV (Russian Aca. Sic.)
Prof. Kunio SHINOHARA (JASRI)
Dr. Ritsuko EGUCHI (Inst. Solid State Phys., Univ.
Tokyo)
Dr. Kyoko ISHIZAKA (Inst. Solid State Phys., Univ.
Tokyo)
Dr. Takahiro ITO (Inst. Mol. Sci.)
Dr. Hiroshi KUMIGASHIRA (Fac. Eng., Tokyo Univ.)
Dr. Hitoshi OSAWA (Inst. Solid State Phys., Univ.
Tokyo)
Dr. Tomohiko SAITO (Fac. Sci., Tokyo Sci. Univ.)
Dr. Shunsuke TSUDA (Inst. Solid State Phys., Univ.
Tokyo)
Dr. Takayoshi YOKOYA (JASRI)

Trainees
Mr. Tomoyuki TAKEUCHI (Fac. Sci., Tokyo Sci. Univ.)

誌

上

発

表

Publications［雑誌］（原著論文） ＊印は査読制度がある論文
Takeuchi T., Tsuda S., Yokoya T., Tukamoto T., Shin S.,

平成 16 年度

Hirai A., Shamoto S., and Kajitani T.: “Soft x-ray emission and high-resolution photoemission study of quasitwo-dimensional superconductor Nax HfNCl”, Physica C
392/396, 127–129 (2003). ＊Kamakura N., Takata Y., Tokushima T., Harada Y.,
Chainani A. A., Kobayashi K., and Shin S.: “Layerdependent band dispersion and correlations using tunable soft X-ray ARPES”, Europhys. Lett. 67, 240–246(2004). ＊Kamakura N., Taguchi M., Chainani A. A., Takata Y.,
Horiba K., Yamamoto K., Tamasaku K., Nishino Y.,
Miwa D., Ikenaga E., Awaij M., Takeuchi A., Ohashi
H., Senba Y., Namatame H., Taniguchi M., Ishikawa
T., Kobayashi K., and Shin S.: “Hard x-ray core-level
photoemission of V2 O3 ”, Europhys. Lett. 68, 557–563(2004). ＊Harada Y. and Shin S.: “Polarization dependence in resonant soft X-ray emission spectroscopy of 3d transition
metal compounds”, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 136, 143–150 (2004). ＊Taguchi M. and Altarelli M.: “Resonant magnetic scattering at the MN K-edge in RbMnF3 : theoretical discussion”, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 136, 205–
207 (2004). ＊Yamamoto K., Taguchi M., Kamakura N., Horiba K.,
Takata Y., Chainani A. A., Shin S., Ikenaga E., Mimura
K., Shiga M., Wada H., Namatame H., Taniguchi M.,
Awaji M., Takeuchi A., Nishino Y., Miwa D., Ishikawa
T., and Kobayashi K.: “Hard x-ray photoemission spectroscopy of temperature-induced valence transition in
EuNi2 (Si0.20 Ge0.80 )2 ”, J. Phys. Soc. Jpn. 73, No. 10,
pp. 2616–2619 (2004). ＊Matsubara M., Harada Y., Shin S., Uozumi T., and Kotani
A.: “Resonant x-ray emission spectroscopy in scandium
halides”, J. Phys. Soc. Jpn. 73, 711–718 (2004). ＊Taguchi M., Kruger P., Parlebas J. C., and Kotani A.:“Theoretical study of X-ray photoemission, X-ray absorption and resonant X-ray emission spectroscopy at
MnL2,3 edge of Mn ﬁlms on Ag”, J. Phys. Soc. Jpn. 73,
1347–1354 (2004). ＊Yamaoka H., Oura M., Taguchi M., Morikawa T., Takahiro
K., Terai A., Kawatsura K., Vlaicu A. M., Ito Y.,
and Mukoyama T.: “Kβ resonant x-ray emission spectroscopy for Fe, Fe2 O3 and Fe3 O4 ”, J. Phys. Soc. Jpn.
73, 3182–3191 (2004). ＊Chainani A. A., Yokoya T., Takata Y., Tamasaku K.,
Taguchi M., Shimojima T., Kamakura N., Horiba
K., Tsuda S., Shin S., Miwa D., Nishino Y.,
Ishikawa T., Yabashi M., Kobayashi K., Namatame H.,
Taniguchi M., Takada K., Sasaki T., Sakurai H., andTakayama-Muromachi E.: “Bulk electronic structureof Na0.35 CoO2 ·1.3H2 O”, Phys. Rev. B 69, 180508-1–
180508-4 (2004). ＊Taguchi M., Braicovich L., Annese E., Dallera C.,
Ghiringhelli G., Tagliaferri A., and Brookes N. B.: “Co

理研研究年報L2,3 resonant x-ray scattering in magnetic CoFe2 O4 in
the perpendicular geometry: experimental and theoretical results on circular dichroism”, Phys. Rev. B 69,
212414-1–212414-4 (2004). ＊Dallera C., Grioni M., Palenzona A., Taguchi M., Annese
E., Ghiringhelli G., Tagliaferri A., Brookes N. B., Neisius
T., and Braicovich L.: “α-γ transition in metallic Cestudied by resonant x-ray spectroscopies”, Phys. Rev. B
70, 085112-1–085112-8 (2004). ＊Takeuchi T., Harada Y., Tokushima T., Taguchi M.,
Takata Y., Chainani A. A., Kim J. J., Makino H.,
Yao T., Yamamoto T., Tsukamoto T., Shin S., andKobayashi K.: “Doping-dependent changes in nitrogen 2p states in the diluted magnetic semiconductor Ga1−x Crx N”, Phys. Rev. B 70, 245323-1–245323-4(2004). ＊Harada Y., Tokushima T., Takata Y., Takeuchi T.,
Kitajima Y., Tanaka S., Kayanuma Y., and Shin S.:“Dynamical symmetry breaking under core excitation ingraphite: polarization correlation in soft x-ray recombination emission”, Phys. Rev. Lett. 93, 017401-1–0174014 (2004). ＊Horiba K., Taguchi M., Chainani A. A., Takata Y., Ikenaga
E., Miwa D., Nishino Y., Tamasaku K., Awaji M.,
Takeuchi A., Yabashi M., Namatame H., Taniguchi M.,
Kumigashira H., Oshima M., Lippmaa M., Kawasaki
M., Koinuma H., Kobayashi K., Ishikawa T., and ShinS.: “Nature of the well screened state in hard xray Mn 2p core-level photoemission measurements of
La1−x Srx MnO3 ﬁlms”, Phys. Rev. Lett. 93, 236401-1–
236401-4 (2004). ＊Takeuchi T., Taguchi M., Harada Y., Tokushima T.,
Takata Y., Chainani A. A., Kim J. J., Makino H.,
Yao T., Tsukamoto T., Shin S., and Kobayashi K.:“Electronic structure characteristics of MBE (molecularbeam epitaxy)-grown diluted magnetic semiconductor
Ga1−x Crx N ﬁlms”, Jpn. J. Appl. Phys. Pt.2 44, L153–
L155 (2005). ＊Shimojima T., Yokoya T., Kiss T., Chainani A. A., Shin S.,
Togashi T., Watanabe S., Zhang C., Chen C. T., Takada
K., Sasaki T., Sakurai H., and Takayama E. M.: “Laserexcited ultrahigh-resolution photoemission spectroscopyof Nax CoO2 •yH2 O:evidence for pseudogap formation”,
Phys. Rev. B 71, 020505-1–020505-4 (2005). ＊Kiss T., Kanetaka F., Yokoya T., Shimojima T., Kanai
K., Shin S., Onuki Y., Togashi T., Zhang C., Chen C.
T., and Watanabe S.: “Photoemission spectroscopic evidence of gap anisotropy in an f -electron superconductor”, Phys. Rev. Lett. 94, 057001-1–057001-4 (2005). ＊（その他）
Takata Y., Tokushima T., Harada Y., Kamakura N.,
Kitajima Y., Nagasono M., Tamenori Y., Ohashi H.,
Hiraya A., Ishiguro E., and Shin S.: “A UHV apparatus
for soft x-ray spectroscopy with symmetry selection forsolids and surfaces”, AIP Conf. Proc. 705, 1186–1189

1065

(2004).
口 頭 発 表 Oral Presentations（国際会議等）
Watanabe M., Ishiwata Y., Eguchi R., Takeuchi T.,
and Shin S.: “Resonant soft x-ray emission study of γCe: 3d-4f resonant spectra of trivalent Ce in the metallic phase”, 9th Int. Conf. on Electronic Spectroscopy& Structure (ICESS 9), Uppsala, Sweden, June–July(2003).
Chainani A. A., Takata Y., Kamakura N., Horiba K.,
Takahashi T., Katayama H. Y., Tamasaku K., NishinoY., Ishikawa T., Namatame H., Taniguchi M., Kobayashi
K., and Shin S.: “Hard x-ray photoemission spectroscopy pf p and n-type doped Si(100)”, Int. Workshop on Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES), (The European Synchrotron Radiation Facility(ESRF)), Grenoble, France, Sept. (2003).
Horiba K., Kamakura N., Yamamoto K., Kobayashi K.,
and Shin S.: “A high-resolution angle-resolved photoemission spectrometer combined with a laser molecularbeam epitaxy at SPring-8 BL17SU”, 14th Int. Conf.
on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV14),
Cairns, Australia, July (2004).
Oura M., Taguchi M., Mukoyama T., Takeuchi T., andShin S.: “Contribution of multielectron excitation to F
1s photoabsorption process in CaF2 studied by soft x-ray
absorption and emission spectroscopy”, 14th Int. Conf.
on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV14),
Cairns, Australia, July (2004).
Kamakura N., Taguchi M., Eguchi R., Yamamoto K.,
Horiba K., Chainani A. A., Takata Y., Ikenaga E.,
Namatame H., Taniguchi M., Awaji A., Takeuchi A.,
Tamasaku K., Nishino Y., Miwa D., Ishikawa T., Ueda
Y., Kobayashi K., and Shin S.: “Hard x-ray core level
photoemission of vanadium oxides”, 14th Int. Conf.
on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV14),
Cairns, Australia, July (2004).
Horiba K., Taguchi M., Kamakura N., Yamamoto K.,
Chainani A. A., Takata Y., Ikenaga E., Namatame H.,
Taniguchi M., Awaji A., Takeuchi A., Miwa D., NishinoY., Tamasaku K., Ishikawa T., Kumigashira H., Oshima
M., Lippmaa M., Kawasaki M., Koinuma H., Kobayashi
K., and Shin S.: “Hard x-ray photoemission study ofMn 2p core-level on La1−x Srx MnO3 thin ﬁlms”, 14th
Int. Conf. on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics(VUV14), Cairns, Australia, July (2004).
Kobayashi K., Nakano T., Kamakura N., Ikemoto Y.,
Fukushima A., Muro T., Fukuoka H., Yamanaka N., andShin S.: “Intensive studies of Ba8−x Si46 ,Ba8 Si46−x Gex
and Ba8 Si46−x Agx clathrate compounds by core level
photoemission, resonant photoemission, and soft x-ray
emission spectroscopy ”, 14th Int. Conf. on Vacuum Ul-

1066

traviolet Radiation Physics (VUV14), Cairns, Australia,
July (2004).
Takeuchi T., Harada Y., Tokushima T., Takata Y.,
Chainani A. A., Kim J. J., Makino H., Yao T.,
Yamamoto T., Tsukamoto T., Kobayashi K., and ShinS.: “Soft x-ray spectroscopy of diluted magnetic semiconductor Ga1−x M x N(M =Cr,Mn)”, 14th Int. Conf.
on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV14),
Cairns, Australia, July (2004).
Yamamoto K., Kamakura N., Taguchi M., Chainani A. A.,
Takata Y., Horiba K., Shin S., Ikenaga E., Mimura K.,
Shiga M., Wada H., Namatame H., Taniguchi M., Awaji
A., Takeuchi A., Nishino Y., Miwa D., Tamasaku K.,
Ishikawa T., and Kobayashi K.: “Temperature-induced
valence transition in EuNi2 (Si0.20 Ge0.80 )2 studied byhard x-ray photoemission spectroscopy”, 14th Int. Conf.
on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics (VUV14),
Cairns, Australia, July (2004).
Taguchi M., Kotani A., Kruger P., and Parlebas J. C.:“Theoretical study of resonant x-ray emission spectroscopy of Mn ﬁlms on Ag”, 14th Int. Conf. on Vacuum
Ultraviolet Radiation Physics (VUV14), Cairns, Australia, July (2004).
Horiba K., Taguchi M., Chainani A. A., Takata Y., Ikenaga
E., Namatame H., Taniguchi M., Awaji M., TakeuchiA., Miwa D., Nishino Y., Tamasaku K., Ishikawa T.,
Kumigashira H., Oshima M., Lippmaa M., Kawasaki
M., Koinuma H., Kobayashi K., and Shin S.: “Bulkelectronic structure of La1−x Srx MnO3 thin ﬁlms studied by hard x-ray Mn2p core-level photoemission spectroscopy”, Frontiers in Soft X-ray, VUV, and Infrared
Research, (Synchrotron Radiation Center, University of
Wisconsin-Madison), Madison, USA, Sept. (2004).
（国内会議）
山本 和矢, 鎌倉 望, 田口 宗孝, Chainani A. A., 高田恭孝, 堀場弘司, 辛 埴, 池永英司, 三村功次郎, 志賀正幸, 和田裕文, 生天目博文, 谷口正樹, 淡路晃弘, 竹内
晃久, 玉作賢治, 石川哲也, 小林啓介: “硬 X 線による
EuNi2 (Si0.20 Ge0.80 )2 の内殻光電子分光”, 日本物理学会
第 59 回年次大会, 福岡, 3 月 (2004).
堀場弘司, 田口宗孝, Chainani A. A., 高田恭孝, 池永
英司, 生天目博文, 谷口雅樹, 淡路晃弘, 竹内晃久, 三輪
大悟, 西野吉則, 玉作賢治, 石川哲也, 組頭広志, 尾嶋正治,
Lippmaa M., 川崎雅司, 鯉沼秀臣, 小林啓介, 辛埴: “硬X 線内殻光電子分光による La1−x Srx MnO3 薄膜の電子状態評価”, 第 65 回応用物理学会学術講演会, 仙台, 9 月(2004).
堀場弘司, 竹内智之, 田口宗孝, Chainani A. A., 高田恭孝,
池永英司, 生天目博文, 谷口雅樹, 淡路晃弘, 竹内晃久,
三輪大悟, 西野吉則, 玉作賢治, 石川哲也, 田口康二郎,
十倉好紀, 小林啓介, 辛埴: “La1−x Srx TiO3 の硬 X 線内殻光電子分光”, 日本物理学会 2004 年秋季大会, 青森，高知, 9 月 (2004).

平成 16 年度