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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

Research Project

Project/Area Number 22K14605
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionOsaka 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 2023)
Budget Amount *help
¥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。
2年目となる本年は、バンド構造制御技術のさらなる高度化とスピン偏極キャリアダイナミクス観測システムの整備を行った。具体的には以下の内容を実施した。
1) トポロジカル絶縁体の一種であるサマリウム化合物について、表面科学的手法により表面超構造を制御し、放射光光電子分光による電子状態観測を行った。観測されたバンド構造は、緒構造由来の変調が生じており、本研究の目的通り、表面科学的手法によるバンド構造制御が可能であることを確認した。
2) 実験室系で試料を大気搬送なしにその場でスピン偏極キャリアダイナミクスを観測可能な手法である逆Rashba-Edelstein効果によるTHz波測定装置用のレーザー光学系の立ち上げを行った。
今後は、スピン偏極キャリアダイナミクスの時間発展について検証へと研究を発展させる。
並行して、新奇低次元強相関物質である単原子層近藤格子について電子物性の解明をおこなった。同物質群もトポロジカルな電子状態を持つと予測されているため、今後同物質についてもスピンダイナミクス観測を行うことで非自明な電子状態の動的応答に関する知見が広がると考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

バンド構造制御技術のさらなる高度化に成功し、スピン偏極キャリアダイナミクス観測システムの整備も順調に進んでいることからほぼ順調に進展しているものと判断する。
トポロジカル絶縁体の一種であるサマリウム化合物について、表面科学的手法による電子状態制御および、放射光光電子分光による電子状態観測を行い、表面僅か数層がトポロジカルバンド構造に影響を及ぼすことを確認し、同手法によりバンド構造を制御可能であることを確認した。また、実験室系で試料を大気搬送なしにその場でスピン偏極キャリアダイナミクスを観測可能な手法である逆Rashba-Edelstein効果によるTHz波測定装置用のレーザー光学系の立ち上げを行った。本装置により極めて簡便にトポロジカル電子状態とダイナミクスの検証が可能となるため、より詳細なダイナミクスの情報を得ることが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

今後は、これまで得られた電子状態制御したトポロジカル絶縁体物質に対して、時間分解光電子分光および、立ち上げ中のスピン-電荷変換を介したTHz放射をベースとしたスピン偏極キャリアダイナミクス装置を用いてスピン偏極キャリアダイナミクスの時間発展について検証へと研究を発展させる。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Current-Induced Metallization and Valence Transition in Black SmS2024

    • Author(s)
      Kimura Shin-ichi、Watanabe Hiroshi、Tatsukawa Shingo、Nakamura Takuto、Imura Keiichiro、Suzuki Hiroyuki S.、Sato Noriaki K.
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 93 Issue: 1 Pages: 013701-013701

    • DOI

      10.7566/jpsj.93.013701

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Two-dimensional heavy fermion in a monoatomic-layer Kondo lattice YbCu22023

    • Author(s)
      Nakamura Takuto、Sugihara Hiroki、Chen Yitong、Yukawa Ryu、Ohtsubo Yoshiyuki、Tanaka Kiyohisa、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Kimura Shin-ichi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43662-9

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Surface valence transition in SmS by alkali metal adsorption2023

    • 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

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • 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

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Fluctuating spin-orbital texture of Rashba-split surface states in real and reciprocal space2022

    • 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

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ARPESによるYbSb/GaSb(001)薄膜の電子状態2023

    • Author(s)
      陳奕同, 中村拓人, 杉原弘基, 西原快人, 田中清尚, 木村真一
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] YbCu2/Cu(111)単原子層合金における重い電子状態2023

    • Author(s)
      杉原 弘基 、中村 拓人、陳 奕同 、湯川 龍 、大坪 嘉之 、田中 清尚 、北村 未歩 、組頭 広志 、木村 真一
    • Organizer
      第37回日本放射光学会年会・ 放射光科学合同シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] YbSb(001)-(2×1)表面における異方的電子状態2023

    • Author(s)
      陳 奕同 、中村 拓人 、杉原 弘基 、田中 清尚 、木村 真一
    • Organizer
      第37回日本放射光学会年会・ 放射光科学合同シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ARPES によるエピタキシャル YbSb(001)薄膜表面の電子状態2023

    • Author(s)
      陳 奕同 、中村 拓人 、杉原 弘基 、田中 清尚 、木村 真一
    • Organizer
      UVSORシンポジウム2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] YbCu2/Cu(111)単原子層合金における重い電子状態2023

    • Author(s)
      杉原 弘基 、中村 拓人、陳 奕同 、湯川 龍 、大坪 嘉之 、田中 清尚 、北村 未歩 、組頭 広志 、木村 真一
    • Organizer
      UVSORシンポジウム2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Takuto Nakamura, Hiroki Sugihara, Yitong Chen, Ryu Yukawa, Yoshiyuki Ohtsubo, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Hiroshi Kumigashira, Shin-ichi Kimura2023

    • Author(s)
      Two-dimensional heavy fermion in a monoatomic-layer Kondo lattice YbCu2
    • Organizer
      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Yitong Chen, Takuto Nakamura, Hiroki Sugihara, Kiyohisa Tanaka, Shin-ichi Kimura2023

    • Author(s)
      Electron structure of epitaxial YbSb(001) thin film revealed by ARPES
    • Organizer
      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] YbCu2/Cu(111)単原子層合金における重い電子状態2023

    • Author(s)
      杉原 弘基 、中村 拓人、陳 奕同 、湯川 龍 、大坪 嘉之 、田中 清尚 、北村 未歩 、組頭 広志 、木村 真一
    • Organizer
      日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Two-dimensional heavy fermion in monoatomic layer Kondo lattice YbCu2/Cu(111)2023

    • Author(s)
      Takuto Nakamura, Hiroki Sugihara, Yitong Chen, Ryu Yukawa, Yoshiyuki Ohtsubo, Kiyohisa Tanaka, Miho Kitamura, Hiroshi Kumigashira, Shin-ichi Kimura
    • Organizer
      Low-Energy Electrodynamics in Solids 2023 (LEES 2023),
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Photo-Induced Band Structure Dynamics of SmS Revealed by TrARPES2022

    • 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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • 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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 二次元に閉じ込めた重い電子をはじめて実現 近藤効果と低次元性が絡んだ新たな物性発現へ

    • URL

      https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20231201_1

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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