スピン偏極質量ゼロ電子の結晶対称性から生じた新奇３次元電子スピン構造の解明

• Project/Area Number: 25800179
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 宮本 幸治 広島大学, 放射光科学研究センター, 助教 (50508067)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2015: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2014: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2013: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: スピン角度分解光電子分光 / スピン軌道相互作用 / 電子スピン構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、表面結晶構造の対称性の違いに着目し、高効率３次元スピン分解光電子分光装置(3D-SARPES)を利用して、未だ謎である「表面結晶構造の対称性」と「質量ゼロ電子の電子スピン構造」との関係を明らかにすることを目的とする。
その結果、以下の２つの結果、1)タングステン(110)単結晶の異方的電子スピン構造の決定,2)トポロジカル絶縁体Bi2Te2Seにおける超巨大Rashba効果および質量ゼロ電子におけるそれぞれの異方性と電子スピン構造の関係を明らかにした。これら２つの結果について以下に少し詳細に得られた結論を示す。
1)タングステン(110)単結晶は、表面結晶構造の２回対称性と強いスピン軌道相互作用に起因した異方的な電子スピン構造を持ち、そのスピンがほぼ一軸方向に沿っている事を実験的に明らかにした。これは、２回対称性の結晶表面をもつ物質系は、デバイスの応用上これまで問題になっていた短いスピン緩和長を大きく改善し、Rashba効果およびスピン偏極質量ゼロ電子を持つ物質を用いた新たなスピントロニクスデバイスの実現に適している事を示す。
2)トポロジカル絶縁体Bi2Te2Seの結晶構造はこれまで研究されてきた3回対称性を示し、そのトポロジカル表面状態は、異方的な電子スピン構造が生じている。この研究では、この質量ゼロ電子の電子スピン構造に加え、さらに高束縛エネルギー側に異方的な電子スピン構造を持つRashba型のスピン分裂バンドを観測した。しかし、それらの異方的な面内電子構造は形状は似ている物の試料面直方向に９０度回転したような形状を示す事を発見した。これは、いわゆる3回対称性特有のワーピングと呼ばれる現象が生じており、このワーピングハミルトニアンでこれらの事象がすべて説明できる事、さらにスピン構造も異方性が現れると同時に面直スピンも生じる事が明らかとなった。

Research Products

• [Journal Article] The gigantic Rashba effect of surface states energetically buried in the topological insulator Bi2Te2Se (2014)
  • Author(s): K. Miyamoto, T. Okuda, M. Nurmamat, M. Nakatake, H. Namatame, M. Taniguchi, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O E Tereshchenko and A. Kimura
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 16 Issue: 6 Pages: 065016-065016
  • DOI: 10.1088/1367-2630/16/6/065016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] スピン分解光電子分光を用いたディラック電子系の先駆的研究 (2014)
  • Author(s): 宮本幸治
  • Journal Title: 放射光 Volume: 27 Pages: 110-113
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Spin-polarized electronic structure at strongly spin-orbit coupled surface (2014)
  • Author(s): K. Miyamoto
  • Organizer: AVS61 International Symposium & Exhibition
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-14
  • Invited
• [Presentation] Gigantic Rashba effect in topological insulator Bi2Te2Se (2014)
  • Author(s): K. Miyamoto
  • Organizer: New trends in topological insulator 2014
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2014-07-07 – 2014-07-10
• [Presentation] トポロジカル絶縁体とラシュバ物質における電子スピン構造の直接観測 (2014)
  • Author(s): 宮本幸治
  • Organizer: One day workshop ~物理工学の新展開~
  • Place of Presentation: 東京大(本郷キャンパス)
  • Year and Date: 2014-04-03
  • Invited
• [Presentation] スピン分解光電子分光を用いたディラック電子系の先駆的研究 (2014)
  • Author(s): 宮本幸治
  • Organizer: 第27回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 広島
  • Invited
• [Presentation] スピン分解光電子分光を用いたディラック表面電子系の研究 (2014)
  • Author(s): 宮本幸治
  • Organizer: 第69回日本物理学会年次大会
  • Place of Presentation: 神奈川
  • Invited
• [Presentation] トポロジカル絶縁体とラシュバ物質における電子スピン構造の直接観測 (2014)
  • Author(s): 宮本幸治
  • Organizer: 東大工学部物理工学科ワークショップ「物理工学の新展開」
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] Spin-polarized electronic structure at strongly spin-orbit coupled surface (2014)
  • Author(s): Koji Miyamoto
  • Organizer: AVS 61st International Symposium and Exhibition
  • Place of Presentation: Baltimore, USA
  • Invited
• [Presentation] Gigantic Rashba effect in topological insulator Bi2Te2Se (2014)
  • Author(s): Koji Miyamoto
  • Organizer: New Trends in Topological Insulators 2014
  • Place of Presentation: Berline, Germany
• [Presentation] Two-fold symmetry flattens Dirac cone of surface state with spin polarization at W(110) (2013)
  • Author(s): Koji Miyamoto
  • Organizer: 19th International Vacuum Congress
  • Place of Presentation: Paris, France
• [Presentation] Spin polarized surface states in Bi2Te2Se (2013)
  • Author(s): K. Miyamoto, A. Kimura, T. Okuda, H. Miyahara, K. Kuroda, H. Namatame, M. Taniguchi, S. V. Eremeev, T. V. Menshchikova, E. V. Chulkov, K. A. Kokh and O. E. Tereshchenko
  • Organizer: 13th International workshop on strong correlations and angle-resolved photoemission spectroscopy
  • Place of Presentation: Hamburg, Germany
• [Presentation] トポロジカル絶縁体Bi2Te2Seの巨大Rashba効果 (2013)
  • Author(s): 宮本幸治，Nurumamat Munisa，黒田健太，奥田太一，仲武昌史，岩澤英明，島田賢也，生天目博文，谷口雅樹，S. Eremeev，T. Menshchikova，E. Chulkov，K. Kokh，O. Tereshchenko，木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島