レーザースピン分解ＡＲＰＥＳによる薄膜スピン分裂バンド制御

• Project/Area Number: 18J21892
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 野口 亮 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 高次トポロジカル絶縁体 / 角度分解光電子分光 / ラシュバ効果 / スピン偏極 / ラシュバ分裂 / トポロジカル絶縁体 / 新奇トポロジカル相 / 弱いトポロジカル絶縁体 / 顕微角度分解光電子分光 / 金属量子井戸状態 / スピン角度分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

2020年度は擬一次元ビスマスハライドの中でも特有の積層構造を持つビスマス臭化物（Bi4Br4）の電子状態を精密に調べた。Bi4Br4は結晶のヒンジに一次元のヒンジ状態を有する高次トポロジカル絶縁体と理論的に予想されていた。我々は角度分解光電子分光（ARPES）・スピン分解ARPESによってヒンジ状態に対応する一次元電子状態の観測を行った。さらに実験で観測されるスピン偏極度が従来の弱いトポロジカル絶縁体であるβ-Bi4I4の場合とは異なった特徴を示すことを見出し、Bi4Br4が三次元結晶として初めて高次トポロジカル絶縁体となっている証拠を提示した。本結果は積層構造によって物質のトポロジーとスピン流を制御するという、新しいスピン偏極電子制御の方向性を実証していると言える。また、量子井戸薄膜を用いたラシュバ効果制御においても、量子井戸系一般に適用可能なラシュバ効果のスケーリング則を見出すという成果を得た。典型的な量子井戸薄膜であるAg/Au(111)では、基板による空間反転対称性の破れにより量子井戸状態がラシュバ効果を示す。我々はスピン分解ARPESによってラシュバ効果の膜厚と量子準位依存性を精密に測定し、理論計算と組み合わせることでラシュバ効果のメカニズムを考察した。その結果、スピン分裂の大きさは界面の電子密度と各原子のスピン軌道相互作用係数であらわされるというスケーリング則を見出した。本結果は基板と薄膜でスピン軌道相互作用の大きさが違う物質を使うと効果的にスピン分裂を引き起こせるということを意味しており、今後新たなラシュバ物質を探す際の重要な指針となると考えられる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] テキサス大学オースティン校/SLAC国立加速器研究所(米国)
• [Int'l Joint Research] Elettra Sincrotrone Trieste(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Diamond Light Source(英国)
• [Int'l Joint Research] テキサス大学オースティン校/スタンフォード放射光(米国)
• [Int'l Joint Research] エレットラ放射光(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Elettra-Sincrotrone Trieste(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Diamond Light Source(英国)
• [Journal Article] Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains (2021)
  • Author(s): Noguchi Ryo、Kobayashi Masaru、J. Zhanzhi、Kuroda Ken
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Issue: 4 Pages: 473-479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • Author(s): Zhang Peng、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Lin Chun、Kawaguchi Kaishu、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Lippmaa Mikk、Nie Simin、Weng Hongming、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Li Qiang、Gu G. D.、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 406-406
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional electronic structure in ferromagnetic Fe3Sn2 with breathing kagome bilayers (2020)
  • Author(s): Tanaka Hiroaki、Fujisawa Yuita、Kuroda Kenta、Noguchi Ryo、Sakuragi Shunsuke、Bareille Cedric、Smith Barnaby、Cacho Cephise、Jung Sung Won、Muro Takayuki、Okada Yoshinori、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.161114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Devil's staircase transition of the electronic structures in CeSb (2020)
  • Author(s): Kuroda Kenta、Arai Y.、Rezaei N.、Kunisada S.、Sakuragi S.、Alaei M.、Kinoshita Y.、Bareille C.、Noguchi R.、Nakayama M.、Akebi S.、Sakano M.、Kawaguchi K.、Arita M.、Ideta S.、Tanaka K.、Kitazawa H.、Okazaki K.、Tokunaga M.、Haga Y.、Shin S.、Suzuki H. S.、Arita R.、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2888-2888
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16707-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor (2020)
  • Author(s): Kunisada So、Isono Shunsuke、Kohama Yoshimitsu、Sakai Shiro、Bareille Ce'dric、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Kurokawa Kifu、Kuroda Kenta、Ishida Yukiaki、Adachi Shintaro、Sekine Ryotaro、Kim Timur K.、Cacho Cephise、Shin Shik、Tohyama Takami、Tokiwa Kazuyasu、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Science Volume: 369 Issue: 6505 Pages: 833-838
  • DOI: 10.1126/science.aay7311
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strongly anisotropic high-temperature Fermi surface of the Kondo semimetal CeNiSn revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • Author(s): Bareille Cedric、Nam T.-S.、Takabatake Toshiro、Kuroda Kenta、Yajima Takeshi、Nakayama Mitsuhiro、Kunisada So、Akebi Shuntaro、Sakano Masato、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Min Byung Il、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.045133
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide (2019)
  • Author(s): Ryo Noguchi, T. Takahashi, K. Kuroda, M. Ochi, T. Shirasawa, M. Sakano, C. Bareille, M. Nakayama, M. D. Watson, K. Yaji, A. Harasawa, H. Iwasawa, P. Dudin, T. K. Kim, M. Hoesch, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, S. Shin, R. Arita, T. Sasagawa & Takeshi Kondo
  • Journal Title: Nature Volume: 566 Issue: 7745 Pages: 518-522
  • DOI: 10.1038/s41586-019-0927-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Orbital-selective metal-insulator transition lifting the t2g band hybridization in the Hund metal Sr3(Ru1-xMnx)2O7 (2018)
  • Author(s): Nakayama M.、Kondo Takeshi、Kuroda K.、Bareille C.、Watson M. D.、Kunisada S.、Noguchi R.、Kim T. K.、Hoesch M.、Yoshida Y.、Shin S.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.161102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 黒リンの角度分解光電子分光スペクトルにおける量子干渉効果 (2021)
  • Author(s): 野口亮、黒田健太、高橋敬成、新井陽介、田中宏明、Zhang Peng、國定聡、合戸洸平、室隆桂之、出田真一郎、田中清尚、笹川崇男、近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2021年春季大会
• [Presentation] ARPESとマイクロ波インピーダンス顕微鏡で解明する 擬一次元ビスマスハライドの積層依存トポロジカル相 (2020)
  • Author(s): 野口亮、小林賢、黒田健太、高橋敬成、Z. Jiang、Z. Xu、D. Lee、平山元昭、 越智正之、白澤徹郎、P. Zhang、C. Lin、C. Bareille、櫻木俊輔、田中宏明、國定聡、黒川輝風、矢治光一郎、原沢あゆみ、V. Kandyba、A. Giampietri、A. Barinov、T. Kim、C. Cacho、橋本信、D. Lu、辛埴、有田亮太郎、K. Lai、笹川崇男、近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] マイクロ波インピーダンス顕微鏡およびARPESで調べる擬一次元Bi4Br4の高次トポロジカルエッジ状態 (2020)
  • Author(s): 野口亮、小林賢、黒田健太、高橋敬成、Z. Jiang、Z. Xu、D. Lee、平山元昭、越智正之、白澤徹郎、P. Zhang、C. Lin、C. Bareille、櫻木俊輔、國定聡、黒川輝風、矢治光一郎、原沢あゆみ、V. Kandyba、A. Giampietri、A. Barinov、T. Kim、C. Cacho、辛埴、有田亮太郎、K. Lai、笹川崇男、近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年春季大会
• [Presentation] レーザースピン分解ARPESで調べるAg/Au(111)の量子井戸閉じ込めによるスピン分裂バンド制御 (2019)
  • Author(s): 野口亮、黒田健太、河村光晶、矢治光一郎、原沢あゆみ、飯盛拓嗣、小森文夫、辛埴、尾崎泰助、近藤猛
  • Organizer: 2019年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Nano-ARPESで直接観測する弱いトポロジカル絶縁体β-Bi4I4の側面ディラック電子状態 (2019)
  • Author(s): 野口亮，高橋敬成，黒田健太，越智正之，白澤徹郎，C. Bareille，坂野昌人，中山充大，M. Watson ，矢治光一郎，原沢あゆみ，岩澤英明，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch，V. Kandyba，A. Giampietri，A. Barinov，辛埴，有田亮太郎，笹川崇男，近藤猛
  • Organizer: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 高分解能ARPESで調べる様々なトポロジカル相を示す擬一次元ビスマスハライドの電子構造 (2019)
  • Author(s): 野口亮, 高橋敬成, 黒田健太, C. Bareille, 櫻木俊輔, 國定聡, 黒川輝風, T. Kim, C. Cacho, 辛埴, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2019年春季大会
• [Presentation] Weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide observed by surface-selective nano-ARPES (2019)
  • Author(s): R. Noguchi，T. Takahashi，K. Kuroda，M. Ochi，T. Shirasawa，C. Bareille，M. Sakano M. Nakayama，M. Watson，K. Yaji，A. Harasawa，H. Iwasawa，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch, V. Kandyba，A. Giampietri，A. Barinov, S. Shin，R. Arita，T. Sasagawa，T. Kondo
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザーSARPESによる銀薄膜の量子井戸準位に依存したスピン分裂の観測 (2018)
  • Author(s): 野口亮，黒田健太，矢治光一郎，原沢あゆみ，飯盛拓嗣，小森文夫，辛埴，近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 擬一次元物質β-Bi4I4における弱いトポロジカル絶縁体相の発見とそのトポロジカル相制御 (2018)
  • Author(s): 野口亮，高橋敬成，黒田健太，越智正之，白澤徹郎，C. Bareille，坂野昌人， 中山充大，M. Watson，矢治光一郎，原沢あゆみ，岩澤英明，P. Dudin，T. Kim， M. Hoesch，辛埴，有田亮太郎，笹川崇男，近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ナノ顕微光電子分光で調べる弱いトポロジカル絶縁体β-Bi4I4の側面ディラック電子状態 (2018)
  • Author(s): 野口 亮、高橋 敬成、黒田 健太、越智 正之、白澤 徹郎、Cedric Bareille、坂野 昌人、中山 充大、矢治 光一郎、原沢 あゆみ、岩澤 英明、辛 埴、有田 亮太郎、笹川 崇男、近藤 猛
  • Organizer: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] Discovery of switchable weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide (2018)
  • Author(s): R. Noguchi，T. Takahashi，K. Kuroda，M. Ochi，T. Shirasawa，C. Bareille，M. Sakano，M. Nakayama，K. Yaji，A. Harasawa，H. Iwasawa，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch，S. Shin，R. Arita，T. Sasagawa，T. Kondo
  • Organizer: International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure 14
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 原子層の積み木細工によるトポロジカル物質設計 ～ 世界初となる高次トポロジカル絶縁体の実証 ～
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=12098
• [Remarks] 超高速・超指向性・完全無散逸の３拍子がそろった理想スピン流の創発と制御
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7464
• [Remarks] Weak but strong
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0508_00038.html