Cross-sectional research for opt-spintronics explored by time-, spin- and angle-resolved photoemission

• Project/Area Number: 19H02683
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Hiroshima University (2020-2021); The University of Tokyo (2019)
• Principal Investigator: Kuroda Kenta 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 矢治 光一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (50447447)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
• Keywords: ポンププローブ法 / 高次高調波 / 超高速 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / レーザー / 時間分解光電子分光 / スピントロニクス / ポンププローブ / 時間分解 / スピン角度分解光電子分光 / 光学遷移

Outline of Research at the Start

超短パルスレーザーによるポンプ・プローブ法とスピン角度分解光電子分光 (SARPES) を融合させた時間分解 SARPES により、光励起直後のスピン分裂バンドを直接的に観察することで、トポロジカル物質における相対論粒子がトリガーとなる様々な光学応答を見出す。この研究を通して、トポロジカル物質に本質的に備わっている光スピン機能を実験的に引き出す。時間分解 SARPES で得られる光励起電子構造の分光学的視点を電流・スピン流などマクロな輸送特性へ結びつけていき、これまでなかった光スピントロニクスの横断的な研究を展開させる。

Outline of Final Research Achievements

We have constructed a time-, spin- and momentum-resolved photoemission spectroscopy (tr-SARPES) apparatus employing a high-repetition 1MHz extreme-ultraviolet (EUV) pulse with 10.7 eV of photon energy. This state-of-the-art tr-SARPES apparatus permits us to perform high-repetition pump-probe measurements and investigate higher-lying occupied band structures above Fermi energy, its spin information and even its electron/spin dynamics just after optical excitation. By using this apparatus, we have successfully performed spin-polarized band mapping on the topological Dirac surface state in Sb2Te3.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年の光スピントロニクス発展に伴って，電子・スピンを分離したダイナミクス研究が盛んに行われている。しかしながら，ポンプ・プローブ法を組み合わせた光学効果などの測定に限られており，電子構造レベルまでミクロな視点で現象を明らかにするツールは無かった。本研究で実現した tr-SARPES はこの制限を打破する手法であり，物質に本質的に備わっている光スピン機能をミクロな視点で引き出すことが可能となった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Diamond Light Source(英国)
• [Int'l Joint Research] Advanced Light Source(米国)
• [Int'l Joint Research] Elettra Synchrotron Radiation Center(イタリア)
• [Journal Article] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2022)
  • Author(s): Kenta Kuroda, Koichiro Yaji, Ryo Noguchi, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Takeshi Kondo, and Fumio Komori
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l121106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multipole polaron in the devil's staircase of CeSb (2022)
  • Author(s): Y. Arai, K. Kuroda, T. Nomoto, Z. H. Tin, S. Sakuragi, C. Bareille, S. Akebi, K. Kurokawa, Y. Kinoshita, W.-L. Zhang, S. Shin, M. Tokunaga, H. Kitazawa, Y. Haga, H. S. Suzuki, S. Miyasaka, S. Tajima, K. Iwasa, R. Arita, T. Kondo
  • Journal Title: Nat. Mater. Volume: 21 Issue: 4 Pages: 410-410
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01188-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large anomalous Hall effect induced by weak ferromagnetism in the noncentrosymmetric antiferromagnet CoNb3S6 (2022)
  • Author(s): Hiroaki Tanaka, Shota Okazaki, Kenta Kuroda, Ryo Noguchi, Yosuke Arai, Susumu Minami, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Viktor Kandyba, Mattia Cattelan, Alexei Barinov, Takayuki Muro, Takao Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Issue: 12 Pages: 121102-121102
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l121102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Selective observation of surface and bulk bands in polar WTe2 by laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • Author(s): Yuxuan Wan, Lihai Wang, Kenta Kuroda, Peng Zhang, Keisuke Koshiishi, Masahiro Suzuki, Jaewook Kim, Ryo Noguchi, C_dric Bareille, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Sang-Wook Cheong, Atsushi Fujimori, and Takeshi Kondo
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Issue: 8 Pages: 085421-085421
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.085421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3 (2021)
  • Author(s): Chun Lin, Masayuki Ochi, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Masahito Sakoda, Atsushi Nomura, Masakatsu Tsubota, Peng Zhang, Cedric Bareille, Kifu Kurokawa, Yosuke Arai, Kaishu Kawaguchi, Hiroaki Tanaka, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Shik Shin, Ryotaro Arita, Satoshi Tanda and Takeshi Kondo
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Issue: 8 Pages: 1093-1099
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01004-4
  • Peer Reviewed / 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] 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] Bulk quantum Hall effect of spin-valley coupled Dirac fermions in the polar antiferromagnet BaMnSb$_2$ (2020)
  • Author(s): H. Sakai, H. Fujimura, S. Sakuragi, M. Ochi, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, T. Kojima, D. Hashizume, T. Muro, K. Kuroda, Takeshi Kondo, T. Kida, M. Hagiwara, K. Kuroki, M. Kondo, K. Tsuruda, H. Murakawa, and N. Hanasaki
  • Journal Title: Phys. Rev. B (Rapid Commun.) Volume: 101 Issue: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.081104
  • Peer Reviewed / 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] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure (2020)
  • Author(s): M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 124 Issue: 13 Pages: 136404-136409
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.136404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monolithic LiF or MgF2 lens-window-prism device for coherent 10.7 eV beam source with 1 MHz repetition rate (2019)
  • Author(s): Zhao Zhigang、Kuroda Kenta、Harasawa Ayumi、Kondo Takeshi、Shin Shik、Kobayashi Yohei
  • Journal Title: Chinese Optics Letters Volume: 17 Issue: 5 Pages: 051406-051406
  • DOI: 10.3788/col201917.051406
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極したBi(111)表面状態の観測 (2022)
  • Author(s): 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 第 77 回年次大会（2022年）
• [Presentation] Putting more information on spin-ARPES: from meV energy-resolution to fs time-resolution (2021)
  • Author(s): 黒田健太
  • Organizer: HiSOR seminar
  • Invited
• [Presentation] 高繰り返し 1-MHz 遠紫外 10.7-eV レーザーを取り入れた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2021)
  • Author(s): 黒田健太, 川口海周, 福島優斗, 趙智剛, 谷峻太郎, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 野口亮, 矢治光一郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置におけるソフトウェア開発：デジタル化・オンライン化に向けた取り組み (2021)
  • Author(s): 田中宏明, 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極電子状態の光励起ダイナミクスの観測 (2021)
  • Author(s): 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解電子分光による非占有電子状態の観測とチャープ調整による高時間分解能化 (2021)
  • Author(s): 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 笹川崇男, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 高繰り返し10.7 eV レーザーによる時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発と非占有スピン偏極電子状態の観測 (2021)
  • Author(s): 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2021
• [Presentation] Time-, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy of solids in the 10.7- eV extreme-ultraviolet at 1-MHz repetition rate (2021)
  • Author(s): K. Kawaguchi, K. Kuroda, Y. Fukushima, Z. Zhao, S. Tani, H. Tanaka, A. Harasawa, T. Iimori, R. Noguchi, K. Yaji, S. Shin, F. Komori, Y. Kobayashi and T. Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science
• [Presentation] 10.7 eV レーザーによるトポロジカル表面状態の偏光依存スピン分解 ARPES (2021)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 谷俊太郎, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 軟X線磁気円二色性で観測したファンデルワールス強磁性体Fe5GeTe2の混成由来による配位子のスピン偏極状態 (2020)
  • Author(s): 山神光平, B. Driesen, 藤澤唯太, C. H. Hsu, 川口海周, 田中宏明, 黒田健太, 近藤猛, Y. Zhang, 和達大樹, 荒木恒星, 武田崇仁, 小林正起, 竹田幸治, 室隆桂之, F. C. Chuang, 岡田佳憲
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] レーザー ARPES によるファンデルワールス Fe 系強磁性体における準粒子コヒーレンスの温度変化の観測 (2020)
  • Author(s): 黒田健太, 川口海周, 山神光平, 藤澤唯太, 野口亮, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 岡田佳憲, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 反強磁性体CeSbの「悪魔の階段」と共に発達する磁気ポーラロン状態の観測 (2020)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, Z. H. Tin, 櫻木俊輔, C. Bareill, 明比俊太朗, 黒川輝風, 木下雄斗, W. L. Zhang, 辛埴, 徳永将史, 宮坂茂樹, 田島節子, 芳賀芳範, 北澤英明, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] カゴメ格子積層結晶Fe3Sn2のバンド分散における格子ひずみおよび積層対称性の効果：2次元カゴメ格子モデルに基づく解析 (2020)
  • Author(s): 田中宏明, 黒田健太, 野口亮, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 放射光角度分解光電子分光によるカゴメ格子積層結晶Fe3Sn2の電子状態観測：バルク電子構造の3次元性 (2020)
  • Author(s): 田中宏明, 藤澤唯太, 黒田健太, 野口亮, 櫻木俊輔, Cedric Bareille, Barnaby Smith, Cephise Cacho, Sung Won Jung, 室隆桂之, 岡田佳憲, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [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, L, K. Lai, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 10.7 eV レーザーを用いた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] カリウム蒸着で希薄ドープ化した綺麗なCuO2面の電子状態：レーザー角度分解光電子分光による研究 (2020)
  • Author(s): 黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] TlBiSe2への光誘起ホールドーピング (2020)
  • Author(s): 板谷亮太, 榎原成則, 葛西健太郎, 中田慶隆, 黒田健太, 福谷圭祐, 山本勇, 坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発：遠紫外光学素子の評価 (2020)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: ISSPワークショップ「次世代放射光へのイノベーション」
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発：遠紫外光学素子の評価 (2020)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • Author(s): 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Remarks] 川口海周（近藤研D3）氏、表面・界面スペクトロスコピー2021のスチューデントプライズを受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15165
• [Remarks] 川口海周（近藤研D3）氏、日本放射光学会の学生発表賞を受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15275
• [Remarks] 伝導電子と局在スピン・軌道が織りなす悪魔の調律
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=14628
• [Remarks] 悪魔と取引した電子たち
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=10729