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

2018 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: 時間分解光電子分光 / スピン分解光電子分光 / ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体 / 超高速現象 / 強磁性トポロジカル絶縁体 / レーザー

Outline of Annual Research Achievements

トポロジカル絶縁体やグラフェンに代表されるディラック電子系は、波数空間上で円錐型バンド分散を形成し、多彩な物性を示すことで知られる。本研究では主に、トポロジカル絶縁体表面に現れるスピン偏極ディラック電子に着目し、スピン分解および時間分解光電子分光によってそのスピン偏極電子状態と超高速キャリアダイナミクスを観測した。
本年度は、昨年度に引き続き、p型トポロジカル絶縁体(Sb0.73Bi0.27)2Te3について時間分解光電子分光を行い、超高速キャリアダイナミクスの温度依存性を詳細に追跡した。その結果、ディラック点の上下で過渡的な反転分布が形成されていることを実験的に見出した。また、この反転分布は室温で10ピコ秒以上持続することが明らかとなり、今後、トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3を用いた有限温度での広帯域レーザー発振の実現が期待される（Physical Review B誌に掲載）。
また、本研究で開発を進めた10ミクロン以下の空間分解能を持つスピン分解光電子分光装置を用いて鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3の顕微分光を行い、表面終端構造に依存した2種類のスピン偏極表面状態の分離観測に成功した。観測された表面状態の一つは酸素暴露の影響をほとんど受けず、最表面に保護された純スピン流の創生が期待される（Physical Review Materials誌に掲載）。
更に、トポロジカル絶縁体に磁性不純物を加えた希薄磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3について、磁気円二色性分光、走査トンネル顕微鏡・分光、時間分解光電子分光を行い、磁性不純物が与える影響を磁性・構造・電子状態・キャリアダイナミクスの観点から明らかにした。その結果、Vが作る不純物状態がバンド間散乱を誘起し、励起電子の緩和時間が大幅に短くなることが明らかとなった（論文査読中）。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Inverted Dirac-electron population for broadband lasing in a thermally activated p-type topological insulator (2019)
  • Author(s): K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 085302/1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.085302
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A general route to form topologically-protected surface and bulk Dirac fermions along high-symmetry lines (2019)
  • Author(s): O. J. Clark, F. Massola, I. Markovic, J. M. Riley, J. Feng, B.-J. Yang, K. Sumida, T. Okuda, J. Fujii, I. Vobornik, T. K. Kim, K. Okawa, T. Sasagawa, M. S. Bahramy, and P. D. C. King
  • Journal Title: Electronic Structure Volume: 1 Pages: 014002/1-13
  • DOI: https://doi.org/10.1088/2516-1075/ab09b7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V0.04(Sb1-xBix)1.96Te3 (2019)
  • Author(s): M. Ye, T. Xu, G. Li, S. Qiao, Y. Takeda, Y. Saitoh, S.-Y. Zhu, M. Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, S. Shin, and A. Kimura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 144413/1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.144413
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced photovoltage on the surface of topological insulator via optical aging (2018)
  • Author(s): Tomoki Yoshikawa, Yukiaki Ishida, Kazuki Sumida, Jiahua Chen, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Pages: 192104/1-4
  • DOI: 10.1063/1.5008466
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Shubnikov-de Haas oscillations in p and n-type topological insulator (BixSb1-x)2Te3 (2018)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Ryosuke Nakanishi, Akio Kimura, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, and Shuji Hasegawa
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 30 Pages: 265001/1-8
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aac59b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prolonged photo-carriers generated in a massive-and-anisotropic Dirac material (2018)
  • Author(s): M. Nurmamat, Y. Ishida, R. Yori, K. Sumida, S. Zhu, M. Nakatake, Y. Ueda, M. Taniguchi, S. Shin, Y. Akahama, and A. Kimura
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 9073/1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-27133-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced surface state protection and band gap in the topological insulator PbBi4Te4S3 (2018)
  • Author(s): K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 2 Pages: 104201/1-8
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.104201
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple topological states in iron-based superconductors (2018)
  • Author(s): P. Zhang, Z. Wang, X. Wu, K. Yaji, Y. Ishida, Y. Kohama, G. Dai, Y. Sun, C. Bareille, K. Kuroda, T. Kondo, K. Okazaki, K. Kindo, X. Wang, C. Jin, J. Hu, R. Thomale, K. Sumida, S. Wu, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Ding, G. D. Gu, T. Tamegai, T. Kawakami, M. Sato and S. Shin
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 15 Pages: 41-47
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0280-z
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhanced Surface State Protection and Band Gap in the Topological Insulator PbBi4Te4S3 (2019)
  • Author(s): K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
  • Organizer: The 23rd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光電子分光で捉えるCo基磁性形状記憶合金の電子状態 (2018)
  • Author(s): 角田一樹
  • Organizer: 第25回みちのく磁性談話会
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast carrier dynamics and transient population inversion of the topological insulators (Sb,Bi)2Te3 (2018)
  • Author(s): K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • Organizer: New Trends in Topological Insulators 2018 and 18th International Conference on Narrow Gap Systems
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 黒リンにおける電子のたたき上げ現象を世界で初めて観測 ～次世代の超高速通信デバイスの素材として期待～
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/sci/news/45800