時間・スピン分解光電子分光によるディラック電子系のスピンダイナミクスの研究

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16J03874
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 角田 一樹 広島大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Keywords: スピン分解光電子分光 / 時間分解光電子分光 / ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体 / 超高速現象

Outline of Annual Research Achievements

レーザーのパルス性、単色性、偏光可変性、微小スポットなどの性質を最大限利用した高効率スピン・角度分解光電子分光装置の開発を行った。平成29年度はまず、集光レンズおよび高性能CCDカメラを導入し、スポットサイズ10ミクロン以下の極めて高い空間分解能で顕微分光が行える測定系を構築した。また、λ/2波長板を導入したことで、偏光依存性測定も可能となった。装置の性能評価のため、Auや高温超伝導体Bi2212、トポロジカル絶縁体Bi2Te3などでテスト測定を行い、期待通りのエネルギー分解能・波数分解能を実現していることを確認した。また、鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3について顕微分光を行い、2種類の終端面に起因したスピン偏極トポロジカル表面状態を分離観測することにも成功した（論文査読中）。
次にトポロジカル絶縁体(Sb1-xBix)2Te3について、いくつかの組成で時間・角度分解光電子分光を行い、ディラック粒子の超高速キャリアダイナミクスの系統的な変化を追跡した。その結果、バルクが金属的な場合は非平衡状態が数ピコ秒以内で緩和するのに対し、絶縁性が高くなると非平衡状態がナノ秒領域まで持続することが明らかとなった。また、バルク絶縁性が高い場合に限り、表面光起電力効果が生じていることも実験的に見出し、トポロジカル絶縁体のオプトエレクトロニクス材料としての可能性を示した（Scientific Reports誌に掲載、プレスリリース）。さらに、バルクが金属的な場合であっても、p型試料では過渡的な反転分布状態が形成されていることを実験的に明らかにし、トポロジカル絶縁体を用いた広帯域レーザー発振への可能性を見出した（論文査読中）。

Current Status of Research Progress

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

Reason

高効率スピン・角度分解光電子分光装置の開発については、集光レンズを導入することにより、スポットサイズ10ミクロン以下の極めて高い空間分解能を実現し、これまで測定が困難であった微小試料や複数のドメインを持つ試料の顕微分光が可能となった。しかしながら、半球型電子分析器のレンズパラメタには若干の修正余地が残されており、最終調整が必要である。また、高精度スピン分解測定のためには更なるレーザー光源の安定化が必要であることが明らかとなった。
一方、トポロジカル絶縁体のスピン偏極電子状態・超高速ダイナミクスの研究についても装置開発と並行して進めており、当初の予想以上の成果が得られている。特に平成29年度は、トポロジカル絶縁体の光機能化に関する有益な知見がいくつか得られた。これらの結果をもとに複数の国際学会（招待講演を含む）・国内学会にて成果報告を行い、平成29年度は3件の発表賞（国際学会1件、国内学会2件）を受賞した。
以上のことから、区分(2)に該当すると判断した。

Strategy for Future Research Activity

半球型電子分析器のレンズパラメタには若干の修正余地があるため、平成30年度はパラメタの最終調整を行う予定である。また、VLEED検出器を用いたスピン分解測定のためには光源の安定性が重要であるため、レーザー光源の安定化（振動対策など）も平成30年度に取り組む予定である。

Research Products

• [Journal Article] Ultrafast dynamics of an unoccupied surface resonance state in Bi2Te2Se (2018)
  • Author(s): M. Nurmamat, E. E. Krasovskii, Y. Ishida, K. Sumida, J. Chen, T. Yoshikawa, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Pages: 115303/1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.115303
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental realization of type-II Weyl state in noncentrosymmetric TaIrTe4 (2017)
  • Author(s): E. Haubold, K. Koepernik, D. Efremov, S. Khim, A. Fedorov, Y. Kushnirenko, J. van den Brink, S. Wurmehl, B. Buchner, T. K. Kim, M. Hoesch, K. Sumida, K. Taguchi, T. Yoshikawa, A. Kimura. T. Okuda, and S. V. Borisenko
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Pages: 241108/1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.241108
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • Author(s): T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka. T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, and E. V. Chulkov
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 17 Pages: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prolonged duration of nonequilibrated Dirac fermions in neutral topological insulators (2017)
  • Author(s): K. Sumida, Y. Ishida, S. Zhu, M. Ye, A. Pertsova, C. Triola, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. V. Balatsky, S. Shin, and A. Kimura
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 14080/1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14308-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct evidence of hidden local spin polarization in a centrosymmetric superconductor LaO0.55 F0.45BiS2 (2017)
  • Author(s): S. Wu, K. Sumida, K. Miyamoto, K. Taguchi, T. Yoshikawa, A. Kimura, Y. Ueda, M. Arita, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, and T. Okuda
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Pages: 1919/1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02058-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3における反転分布現象の観測と制御 (2018)
  • Author(s): 角田一樹, 石田行章, 吉川智己, 陳家華, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 辛埴, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2018年年次大会
• [Presentation] Inverted Dirac-population in a thermally activated topological insulator (2018)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: International workshop “Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases : From solid state physics to transdisciplinary concepts”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Population inversion in topological insulators (Sb,Bi)2Te3 (2018)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: The 1st International Workshop on Emergent Condensed Matter Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Present Status of 6eV Laser Based Spin-ARPES system (2018)
  • Author(s): K. Sumida, K. Miyamoto, E. Annese, K. Taguchi, K. Shimada, A. Kimura, and T. Okuda
  • Organizer: The 22nd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3のスピン角度分解光電子分光 (2017)
  • Author(s): 角田一樹, 棗田翼, 白井開渡, 黒田健太, 朱思源, 田口一暁, 宮本幸治, 奥田太一, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 藤井純, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, 木村昭夫
  • Organizer: スタートアップ研究会基盤研究S「トポロジカル相でのバルク・エッジ対応の多様性と普遍性：固体物理を超えて分野横断へ」
• [Presentation] 放射光分光及び第一原理計算を用いたホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)の電子状態の研究 (2017)
  • Author(s): 角田一樹, 辻川雅人, 許皛, 上田茂典, 陳家華, 朱思源, 吉川智己, 檜垣聡太, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本金属学会2017年秋期講演大会
• [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3のキャリア誘起強磁性および超高速キャリアダイナミクス (2017)
  • Author(s): 角田一樹, 石田行章, 吉川智己, 檜垣聡太, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 竹田幸治, 斎藤祐児, 辛埴, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)におけるリエントラント・マルテンサイト変態機構 (2017)
  • Author(s): 角田一樹, 辻川雅人, 許皛, 陳家華, 朱思源, 吉川智己, 檜垣聡太, 上田茂典, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Ultrafast Surface Dirac Fermion Dynamics of Sb2Te3-based Topological Insulators (2017)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: Superstripes2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Temperature-induced prolonged duration of non-equilibrium surface Dirac fermions in topological insulators (2017)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: 10th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast surface Dirac fermions dynamics of magnetic topological insulator (Sb1-xVx)2Te3 (2017)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: The 17th International workshop on strong correlations and angle-resolved photoemission spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast surface carrier dynamics of magnetically doped topological insulators (2017)
  • Author(s): Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Organizer: New Trends in Topological Insulators 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unveiling reentrant martensitic phase transition mechanism in Co2Cr(Ga,Si) Heusler alloys (2017)
  • Author(s): K. Sumida, M. Tsujikawa, X. Xu, J. Chen, S. Zhu, T. Yoshikawa, S. Higaki, S. Ueda, Y. Takeda, Y. Saitoh, M. Shirai, R. Kainuma, and A. Kimura
  • Organizer: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium -New Horizon of Magnetism-
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42287
• [Remarks] 新奇超伝導体に特殊なスピン電子構造を発見 －スピントロニクスデバイス開発と超伝導研究に新たな光－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42893
• [Remarks] トポロジカル絶縁体を強磁性にする新たな方法を発見 －量子異常ホール効果を利用したデバイス開発へ進展－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/39806