トポロジカル絶縁体におけるバンド構造操作とスピンダイナミクスの観測・制御

• Project/Area Number: 22K14605
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中村 拓人 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 助教 (60907848)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: スピン偏極電子状態 / トポロジカル絶縁体 / 時間角度分解光電子分光 / スピン角度分解光電子分光

Outline of Research at the Start

トポロジカル絶縁体におけるスピン偏極ディラックコーンのキャリアタイプ・バンドギャップといったバンド構造の基本的性質を、薄膜化による量子干渉効果と界面誘起キャリアドーピングの２つの手法を駆使して自在に制御する方法論を確立することである。そして、バンド構造を制御したトポロジカル絶縁体を用いてスピン偏極キャリアダイナミクスの系統的・普遍的性質を、スピンおよび時間角度分解光電子分光により観測することで、スピン偏極電流制御につなげる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的はトポロジカル絶縁体における、スピン偏極ディラックコーンのキャリアタイプ・バンドギャップといったバンド構造の基本的性質を、表面科学的手法により自在に制御する方法論を確立することである。そして、バンド構造を制御したトポロジカル絶縁体薄膜を用いて、スピン偏極キャリアダイナミクスの系統的・普遍的性質を観測することで、スピン偏極電流制御につなげることである。初年度となる本年は、新たな成膜装置の立ち上げとバンド構造制御技術の開発を行った。具体的には以下の内容を実施した。
1) 本研究用に新たに導入した成膜装置の立ち上げを行った。古今の世界情勢の影響で、想定していた納期より若干の遅れが見られたが、納入前に他の真空部品の設計・実装が順調に完了していたため、納入後速やかに立ち上げを完了した。
2) 新たな成膜装置を用いて薄膜作製によるバンド構造制御技術の開発を行った。研究開始当初に想定していた通り、基板表面の状態制御によりその上に成膜した薄膜の電子状態に変調が起きることを確認した。
3) 本研究計画と平行して、表面電子状態のキャリア制御技術の確立およびダイナミクス観測について、強相関半導体物質を対象として放射光光電子分光およびレーザー時間分解光電子分光を用いて研究を行い、論文発表を行った。
今後は、より詳細な成膜条件の探索行い、得られた良質な試料について時間分解光電子分光により電子状態のキャリアダイナミクスの時間発展について検証する。また、最近報告された新たなスピン偏極キャリアダイナミクスの観測手法である逆Rashba-Edelstein効果によるTHz波発生現象が本研究内容と相補的な情報を与えると期待されるため、これについても本研究により作製した試料への適用を検討する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

トポロジカル絶縁体のバンド構造を制御する手法の開発について、当初の想定通り基板表面状態の操作により制御可能であることを確認したためである。

Strategy for Future Research Activity

より詳細な成膜条件の探索行い、得られた良質な試料について時間分解光電子分光により電子状態のキャリアダイナミクスの時間発展について検証する。また、最近報告された新たなスピン偏極キャリアダイナミクスの観測手法である逆Rashba-Edelstein効果によるTHz波発生現象が本研究内容と相補的な情報を与えると期待されるため、これについても本研究により作製した試料への適用を検討する

Research Products

• [Journal Article] Surface valence transition in SmS by alkali metal adsorption (2023)
  • Author(s): Nakamura Takuto、Nakaya Toru、Ohtsubo Yoshiyuki、Sugihara Hiroki、Tanaka Kiyohisa、Yukawa Ryu、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Imura Keiichiro、Suzuki Hiroyuki S.、Sato Noriaki K.、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 4 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l041102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Breakdown of bulk-projected isotropy in surface electronic states of topological Kondo insulator SmB6(001) (2022)
  • Author(s): Ohtsubo Yoshiyuki、Nakaya Toru、Nakamura Takuto、Le Fevre Patrick、Bertran Francois、Iga Fumitoshi、Kimura Shin-Ichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33347-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fluctuating spin-orbital texture of Rashba-split surface states in real and reciprocal space (2022)
  • Author(s): Nakamura Takuto、Ohtsubo Yoshiyuki、Harasawa Ayumi、Yaji Koichiro、Shin Shik、Komori Fumio、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 23 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.235141
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 5 時間分解Ｘ線回折によるSmSの光誘起相転移の観測 (2022)
  • Author(s): 陳 奕同 、渡邉 浩 、中村 拓人 、立川 槙吾 、高橋 龍之介 、和達 大樹 、玉作 賢治 、大沢 仁志 、井村 敬一郎 、鈴木 博之 、佐藤 憲昭 、木村 真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 杉原 弘基 、中村 拓人 、陳 奕同 、LUBIS Muhammad Frassetia 、田中 清尚 、木村 真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] アルカリ金属吸着によるSmSの表面価数転移 (2022)
  • Author(s): 中村 拓人、仲矢 透、大坪 嘉之、 杉原 弘基 、 田中 清尚 、 湯川 龍、北村 未歩 、組頭 広志 、井村 敬一郎 、 鈴木 博之 、佐藤 憲昭 、木村 真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 杉原弘基, 中村拓人, 陳奕同, 田中清尚, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Photo-Induced Band Structure Dynamics of SmS Revealed by TrARPES (2022)
  • Author(s): Yitong Chen, Takuto Nakamura, Hiroshi Watanabe, Takeshi Suzuki, Qianhui Ren, Kecheng liu, Yigui Zhong, Teruto Kanai, Jiro Itatani, Shik Shin, Kozo Okasaki, Keiichiro Imura, Hiroyuki S Suzuki, Noriaki K Sato and Shin-ichi Kimura
  • Organizer: the 22nd international vacuum congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fluctuated Spin Texture of Rashba-Split Surface Bands of Low Symmetric Surface Bi/InAs(110)-(2×1) (2022)
  • Author(s): Takuto Nakamura, Yoshiyuki Ohtsubo, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Fumio Komori, Shin-ichi Kimura
  • Organizer: the 22nd international vacuum congress
  • Int'l Joint Research