Verification of magnetic/electronic/spin structure correspondence in topological magnets

• Project/Area Number: 23K23211
• Project/Area Number (Other): 22H01943 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 黒田 健太 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: トポロジカル物質 / 磁性 / 光電子分光 / 顕微光電子分光 / 偏光顕微教 / スピンテクスチャー / 光学磁気効果 / 角度分解光電子分光 / トポロジカル電子物質 / スピン軌道結合 / 磁区

Outline of Research at the Start

トポロジカル磁性体の真骨頂として実空間の「磁気構造」と量子物性現象を決定づける波数空間のベリー曲率を反映する「電子構造・スピンテクスチャ」の相関関係を実証する。そのために、顕微スピン角度分解光電子分光を用いて、異なる磁気構造で結晶中に点在する磁気ドメインを選択した電子構造・スピンテクスチャ観察を行い、磁気構造の変化に追随して移り変わる電子構造・スピンテクスチャの姿を波数空間で観る。電子構造レベルまで攻めた微視的な知見から、外場で調整可能な磁性をハンドルとする電子構造制御・量子物性制御を実現させるトポロジカル磁性体の機能として「磁気構造・電子構造・スピンテクスチャ相関」の確立を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、ワイル磁性体などに代表されるトポロジカル磁性体において期待される磁気構造・電子構造・スピンテクスチャの相関特性を実験的に示す事である。この目的達成のために本年度では，この実証を可能にする実験装置として，マイクロ集光レーザーとスピン角度分解光電子分光を組み合わせた顕微スピン角度分解光電子分光装置を世界に先駆けて実現させるために装置開発を主に行った。その結果，紫外光 6-eV レーザーを光電子励起光源として，超高真空槽にある試料表面の位置で 5 マイクロメートル (5um) 以下の微小スポット化に成功した。また，装置の性能評価をした結果，微小スポットを利用した条件下で， 5meV 以下の高エネルギー分解能を有したままスピン分解測定が可能であることがわかった。さらに LabView を用いたグラフィックユーザーインターフェイスなどの測定環境を整備した結果，光電子強度・スピン分解シグナルの高速空間マッピングを行えるようになった。顕微スピン角度分解光電子分光の最終的な空間分解能は，レーザーのスポットサイズだけでなく，試料ステージ・真空槽ステージの熱ドリフトやレーザースポット位置のドリフトによって制限されるが，慎重に装置評価を行った結果，それらからのドリフトが 1 um 以下（7 時間程度のテスト測定）に抑えられていることが分かった。以上から，世界に先駆けて 5um スケールの高い空間分解能とスピン検出を両立させた，顕微レーザースピン角度分解光電子分光を本研究で実現させた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初予定していたマイクロスケールの空間分解能を有する顕微スピン角度分解光電子分光装置を開発した。これに加えて低温の偏光顕微鏡などの環境も整備して CeSb などの物質で明瞭なドメイン構造と空間分布を捉えられるようになった。

Strategy for Future Research Activity

本年度，顕微レーザースピン分解光電子分光装置の開発が完了して5 um以下の空間分解能で安定した測定が行えるようになった。次年度では，開発した装置を様々なトポロジカル磁性体などに適用して，磁気構造・電子構造・スピンテクスチャの相関関係の実証を目指す。また，昨年度に立ち上げた偏光顕微鏡の精度向上を狙う。光源を LED からレーザーに変更して，微小な偏光特性を見抜くためにロックイン検出を導入する。これらの測定を包括的に行うことで，実空間のドメイン構造を分離した，波数空間における本質的な特性を見出し対応付けることで本研究の完成を狙う。

Research Products

• [Journal Article] SPADExp: A photoemission angular distribution simulator directly linked to first-principles calculations (2023)
  • Author(s): Tanaka Hiroaki、Kuroda Kenta、Matsushita Tomohiro
  • Journal Title: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Volume: 264 Pages: 147297-147297
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2023.147297
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coexistence of Strong and Weak Topological Orders in a Quasi-One-Dimensional Material (2022)
  • Author(s): De-Yang Wang, Qi Jiang, Kenta Kuroda, Kaishu Kawaguchi, Ayumi Harasawa, Koichiro Yaji, Arthur Ernst, Hao-Ji Qian, Wen-Jing Liu, He-Ming Zha, Zhi-Cheng Jiang, Ni Ma, Hong-Ping Mei, Ang Li, Takeshi Kondo, Shan Qiao, and Mao Ye.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Issue: 14 Pages: 146401-146401
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.146401
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2023)
  • Author(s): Kenta Kuroda, Koichiro Yaij, Ryo Noguchi, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Takeshi Kondo, Fumio Komori
  • Organizer: APS march meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AB積層結晶の表面近傍電子状態におけるらせん対称性の破れ (2023)
  • Author(s): 田中宏明, 岡崎尚太, 小林賢, 福島優斗, 新井陽介, 飯盛拓嗣, Mikk Lippmaa, 山神光平, 小谷佳範, 小森文夫, 黒田健太, 笹川崇男, 近 藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] 少数キャリア半金属 CeX における強相関電子状態 (2023)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, 筒井智嗣, 田中宏明, Yuyang Dong, 岩田拓万, 片山和郷, 水上雄太, 平井大悟郎, 辛埴, 久保田正人, 芳賀芳範, 鈴木博之, 宮坂茂樹, 田島節子, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] オゾンアニールでキャリア量制御したBi2223における電子構造のレーザーARPESによるその場観察 (2023)
  • Author(s): 加藤圭, 國定聡, 山口隼平, 黒川輝風, 黒田健太, 新井陽介，合戸光平，渡邉孝夫，近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] SX-ARPESで調べる強磁性スピネルHgCr2Se4の半導体的電子状態 (2023)
  • Author(s): 田中 宏明、Telegin, Andrei 、Sukhorukov, Yurii 、Golyashov, Vladimir、Tereshchenko, Oleg 、Lavrov, Alexander、松田 拓也、松 永 隆佑、 明石 遼介、Lippmaa, Mikk、新井 陽介、室 隆桂之、出田 真一郎、田中 清尚 、近藤 猛 、黒田 健太
  • 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] 少数キャリア半金属 CeX における強相関メカニズムの系統的な変化 (2023)
  • Author(s): 新井 陽介、黒田 健太、筒井 智嗣、平井 大悟郎、田中 宏明、Yuyang Dong、岩田 拓万、片山 和郷、野本 拓也 、辛 埴、久保田 正人、 芳賀 芳範 、鈴木 博之、宮坂 茂樹、田島 節子、有田 亮太郎、近藤 猛
  • 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] Electronic Correlations of CeSb under The Devil’s Staircase Transition (2022)
  • Author(s): Kenta Kuroda
  • Organizer: CONMATT2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 複合アニオン超伝導体 HfP2-xSex における線ノード型ディラック電子の直接観測 (2022)
  • Author(s): 西岡幸美, 石坂仁志, 黒田健太, 井野明洋, Shiv Kumar, 島田賢也, 鬼頭聖, 長谷泉, 石田茂之, 岡邦彦, 藤久裕司, 後藤義人, 吉田良 行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Fe3Ga薄膜のスピン分極バンド構造の観測 (2022)
  • Author(s): 大和田清貴, 中西楓恋, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 周偉男, 佐々木泰祐, 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] HiSORにおけるレーザー顕微スピン分解光電子分光装置の現 (2022)
  • Author(s): 岩田拓万, 西岡幸美, 大和田清貴, 岩澤英明, 有田将司, 木村昭夫, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 軟X線ARPESによるアクチノイド化合物ThSbのトポロジカル電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 角田一樹, 藤森伸一, 川崎郁斗, 竹田幸治, 山上浩志, 黒田健太, 芳賀芳範
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] スピン角度分解光電子分光実験によるFe4N薄膜の電子状態の解 (2022)
  • Author(s): 中西楓恋, 大和田清貴, 黒田健太, 角田一樹, 宮本幸治, 奥田太一, 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥，木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光で解明する多層型高温超伝導体の強結合超伝導状態 (2022)
  • Author(s): 黒川輝風, 大久保卓, Z. Yang, 野村肇宏, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, C. Lin, 黒田健太, T. K. Kim, M. Wattson, C. Cacho, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] Relationship between electronic structure and magnetism of Gd-based skyrmion materials studied by ARPES (2022)
  • Author(s): Yuyang Dong, Masayuki Ochi, Yosuke Arai, Kenta Kuroda, Natsumi Tanaka, Ryu Nakachi, Yuxuan Wan, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Timur Kim, Matthew Watson, Cephise Cacho, Takayuki Muro, Ryuji Higashinaka, Yuji Aoki, Tatsuma D. Matsuda, Takeshi Kondo
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会