トポロジカル絶縁体におけるスピンロックの超低速ミュオンによる検出

• Project Area: Frontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
• Project/Area Number: 26108713
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: 後藤 貴行 上智大学, 理工学部, 教授 (90215492)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2015: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 表面スピン構造 / 低速ミュオン / 薄膜 / スピン偏極 / μＳＲ

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、トポロジカル絶縁体薄膜の表面スピン構造、及び、量子スピン磁性体の基底状態についての研究をミクロプローブであるμＳＲ、ＮＭＲを用いて行った。
まず、トポロジカル絶縁体については、東北大との共同研究により、マイカ基板上に製膜した膜厚６０ｎｍのテトラジマイト構造Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５ＴｅＳｅ２単結晶試料について、ＰＳＩのＬＥＭ施設において、μＳＲ実験を二回（ビームタイム３日×２）に分けて行った。この研究は、トポロジカル絶縁体表面内で完全偏極しているスピン構造を明らかにするため、薄膜に平行に横磁場（ＴＦ）を印加し、ＴＦに平行・反平行に向いたスピン流の時間反転対称性を破り、面に垂直なキャントを引き出し、これをミュオンの時間スペクトルの変化で検出しようとするものである。
ミュオンの加速電圧を１ｋｅＶまで落とすことで、５０％のミュオンを膜内に止めることができ、さらに１００Ｇ程度のＴＦ磁場印加に対してもリングアノードの電圧調整によってスポットを的確に試料上に持って来られる。低温５Ｋにおいて、ＴＦ印加（１００Ｇ）した状態で、表面（加速電圧１ｋｅＶ）では、バルク（３ｋｅＶ）に対し、ナイトシフトの増大（＋０．２％程度）、緩和率の増大（３倍程度）、等、いずれも顕著な変化が見出された。しかしながら、これらは結局、金属薄膜（Ａｕ）の標準試料においても同程度の変化が見られ、加速電圧の変化によるアーチファクトが大き過ぎることが明らかになった。よって、この方法で表面スピン状態を検知するには、装置の分解能がより高い、ＪＰＡＲＣでの実験が必須であろうと考えられる。なお本件の途中経過については、リスト１１（ＩＣＭ２０１５）で報告している。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Paul Scherrer Institute（PSI）(スイス)
• [Journal Article] Low-energy μSR Study on the Tetradymite Topological Insulator Bi1.5Sb0.5TeSe (2015)
  • Author(s): Takayuki Goto, Kazuki Matsui, Tadashi Adachi, Tomi Ohtsuki, Ngoc Han Tu, Yoichi Tanabe, Katsumi Tanigaki, Isao Watanabe, Zaher Salman, Andreas Suter, Thomas Prokscha
  • Journal Title: Physics Procedia Volume Volume: 75 Pages: 100-105
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2015.12.014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] µSR study on quantum spin system NH4CuCl3 (2014)
  • Author(s): K Matsui, T Suzuki, A Oosawa, M Fujisawa. K Yoshizawa, H Tanaka, T Goto, P K Biswas, A Amato, I Watanabe
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 551 Pages: 0120071-0120075
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] NMR Study On Kagome-Lattice Antiferromagnet Cs2Mn3LiF12 (2014)
  • Author(s): S Moriya, Y Usui, H Tanaka, K Matsui, Y Mori, H Kuroe, T Sasaki and T Goto
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 568 Issue: 4 Pages: 0420081-0420085
  • DOI: 10.1088/1742-6596/568/4/042008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gradual evolution in spin dynamics of TlCu1-xMgxCl3 probed by muon-spin- relaxation (muSR) technique (2014)
  • Author(s): Takao Suzuki, Isao Watanabe, Fumiko Yamada, Yasuyuki Ishii, Kazuki Ohishi, Takayuki Goto, and Hidekazu Tanaka
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 502 Pages: 0120411-0120415
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012041
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ground state of bond-disordered quasi-one-dimensional spin system (CH3)2CHNH3Cu(ClxBr1-x)3 with x = 0, 0.25 and 0.3 (2014)
  • Author(s): Takayuki Go- to, Takao Suzuki, Isao Watanabe, Hirotaka Manaka, Hubertus Luetkens and Alex Amato
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan: Con- ference Proceedings Volume: 2 Pages: 0102071-0102075
  • DOI: 10.7566/jpscp.2.010207
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Low-energy μSR study on the tetradymite topological insulator Bi1.5Sb0.5TeSe2 (2016)
  • Author(s): T. Goto, K. Matsui, Tu Ngoc Han, Yoichi Tanabe, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: Frontier of the Muon Science Applications RIKEN-RAL Muon Facility 25-Years Operation Cerebration
  • Place of Presentation: 理化学研究所（埼玉県和光市）
  • Year and Date: 2016-02-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-energy μSR study on the thin-film of tetradymite topological insulator Bi1.5Sb0.5TeSe2 (2016)
  • Author(s): K. Matsui, T. Goto, Tu Ngoc Han, Yoichi Tanabe, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: International USMM &CMSI Workshop
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-01-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large - area synthesis and nondestructive transfer process of high - quality Bi2-xSbxTe3-ySey films (2015)
  • Author(s): Tu Ngoc Han, Yoichi Tanabe, Yosuke Satake, Khuong, Kim Huynh, Katsumi Tanigaki
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Low-energy SR study on the tetradymite topological insulator Bi1.5Sb0.5TeSe2 (2015)
  • Author(s): Takayuki Goto, Kazuki Matsui, Tadashi Adachi, Tomi Ohtsuki, Ngoc Han Tu, Yoichi Tanabe, Katsumi Tanigaki, Isao Watanabe, Zaher Salman, Andreas Suter and Thomas Prokscha
  • Organizer: 20th International Conference on Magnetism ICM2015
  • Place of Presentation: Palau de Congressos de Catalunya（Barcelona, Spain）
  • Year and Date: 2015-07-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] μSR study on quantum spin system NH4CUCl3 (2014)
  • Author(s): K Matsui, A Oosawa, K Yoshizawa, T Goto, I Watanabe, T Suzuki, M Fujisawa, H Tanaka, P K Biswas and A Amato
  • Organizer: The 13th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance (μSR2014)
  • Place of Presentation: Grindelwald, Switzerland
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06