Spin-orbital entanglement and photo-excited dynamics investigated by laser photoemission spectroscopy

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K14319
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 黒田 健太 東京大学, 物性研究所, 助教 (00774001)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: スピン軌道結合 / 電子スピン構造 / トポロジカル物質 / パルスレーザー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、単色性の高い真空紫外レーザーとスピン角度分解光電子分光 (SARPES) を組み合わせた高分解能レーザー SARPES を利用して、様々な形態でスピン軌道結合が創り出すスピン分裂バンドの直接観測を行うと共に、超短パルスレーザーの導入を行いフェムト秒の時間分解 SARPES 装置の開発を行った。
まず、擬一次元結晶ビスマスハライドにおいて、弱いトポロジカル絶縁体相を世界で初めて実証した。この物質相は、ビスマスセレナイドで代表される強いトポロジカル絶縁体相と大きく異なり、結晶側面にのみ擬一次元的なスピン偏極ディラック状態が出現しており、エッジに流れるスピン流の散乱が完全に抑制された 2 次元量子スピンホール絶縁体が積層した結晶として見なすことができる。この研究成果は、Nature へ出版された。また、スピン軌道結合に起因してトポロジカルな性質を有するセリウムモノプニクタイドの高分解能 SARPES を行い、反強磁性転移に伴う強烈なバンドの折り返しを観測した。この成果の学会報告を行って、現在論文を執筆している。
レーザー SARPES 装置の制御プログラムを開発して、SARPES の超高効率な自動測定を可能にした。このアップグレードはビデオジャーナルである JoVE で報告した。時間分解 SARPES 測定の実現のために、新たに導入した短パルス高次高調波は、大気中にある酸素に強く吸収されるため、本年度では高真空ビームラインの設計・立ち上げを行った。特に、昨年度で成功した窓材フッ化リチウム (LiF) の大幅な安定化によって、LiF レンズや分光プリズムなどの光学素子を作成してビームラインで利用した。これまでに光電子シグナルの検出に成功している。これから、トポロジカル物質などのスピン偏極状態のスピンダイナミクスの直接観測を行っていく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
  • Country Name: ISRAEL
  • Counterpart Institution: Weizmann Institute of Science
• [Int'l Joint Research] Diamond Light Source(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Diamond Light Source
• [Int'l Joint Research] Elettra - Sincrotrone Trieste(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: Elettra - Sincrotrone Trieste
• [Journal Article] A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide (2019)
  • Author(s): Noguchi Ryo、Takahashi T.、Kuroda K.、Ochi M.、Shirasawa T.、Sakano M.、Bareille C.、Nakayama M.、Watson M. D.、Yaji K.、Harasawa A.、Iwasawa H.、Dudin P.、Kim T. K.、Hoesch M.、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Shin S.、Arita R.、Sasagawa T.、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Volume: 566 Pages: 518～522
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-0927-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low-energy electron-mode couplings in the surface bands of Sr2RuO4 revealed by laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • Author(s): Akebi Shuntaro、Kondo Takeshi、Nakayama Mitsuhiro、Kuroda Kenta、Kunisada So、Taniguchi Haruka、Maeno Yoshiteru、Shin Shik
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Pages: 126403-1～6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.081108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coexistence of Two Types of Spin Splitting Originating from Different Symmetries (2019)
  • Author(s): Yaji Koichiro、Visikovskiy Anton、Iimori Takushi、Kuroda Kenta、Hayashi Singo、Kajiwara Takashi、Tanaka Satoru、Komori Fumio、Shin Shik
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Pages: 126403-1～6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.126403
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monolithic LiF or MgF2 Lens-Window-Prism device for coherent 10.7 eV beam source with 1 MHz repetition rate (2019)
  • Author(s): Zhao Zhigang、Kuroda Kenta、Harasawa Ayumi、Kondo Takeshi、Shin Shik、Kobayashi Yohei
  • Journal Title: Chinese Optics Letters Volume: 17 Pages: 1～5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rashba spin splitting of L-gap surface states on Ag(111) and Cu(111) (2018)
  • Author(s): Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Kuroda Kenta、Li Ronghan、Yan Binghai、Komori Fumio、Shin Shik
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Pages: 041404-1～6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.041404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser (2018)
  • Author(s): Kuroda Kenta、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Noguchi Ryo、Kondo Takeshi、Komori Fumio、Shin Shik
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 136 Pages: e57090-1～9
  • DOI: 10.3791/57090
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kondo hybridization and quantum criticality in β-YbAlB4 by laser ARPES (2018)
  • Author(s): Bareille Cedric、Suzuki Shintaro、Nakayama Mitsuhiro、Kuroda Kenta、Nevidomskyy Andriy H.、Matsumoto Yosuke、Nakatsuji Satoru、Kondo Takeshi、Shin Shik
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Pages: 045112-1～7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.045112
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Orbital-selective metal-insulator transition lifting the t2g band hybridization in the Hund metal Sr3(Ru1-xMnx)2O7 (2018)
  • Author(s): Nakayama M.、Kondo Takeshi、Kuroda K.、Bareille C.、Watson M. D.、Kunisada S.、Noguchi R.、Kim T. K.、Hoesch M.、Yoshida Y.、Shin S.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Pages: 161102-1～5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.161102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple topological states in iron-based superconductors (2018)
  • Author(s): Z. Peng、W. Zhijun、W. Xianxin、Y. Koichiro、I. Yukiaki、K. Yoshimitsu、D. Guangyang、S. Yue、B. Cedric、K. Kenta、K. Takeshi、O. Kozo、K. Koichi、W. Xiancheng、J. Changqing、H. Jiangping、T. Ronny、S. Kazuki、W. Shilong、M. Koji、O. Taichi、D. Hong、G. D.、T. Tsuyoshi、K. Takuto、S. Masatoshi、S. Shik
  • 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] 真空紫外および軟X線領域の放射光角度分解光電子分光を用いた新しいトポロジカル物質相の研究 (2019)
  • Author(s): 黒田健太
  • Organizer: 第32回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] CeSbにおける悪魔の階段的な反強磁性構造転移に伴うバンド構造の変調 (2019)
  • Author(s): 黒田健太, Nafise Rezaei, 鈴木博之, 芳賀芳範, 新井陽介, 国定聡, 櫻木俊輔, Mojtaba Alaei, Cedric Bareille, 野口亮, 明比俊太朗, 北澤英明, 岡崎浩三, 木下雄斗, 徳永将史, 辛埴, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会（2019年）
• [Presentation] レーザー角度分解光電子分光で観測するCeSbの電子格子結合 (2019)
  • Author(s): 新井陽介, 黒田健太, 岩佐和晃, N. Rezaei, 鈴木博之, 芳賀芳範, 国定聡, 櫻木俊輔, 明比俊太朗, M. Alaei, 北澤英明, 辛埴, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会（2019年）
• [Presentation] 高分解能 ARPES で調べる悪魔の階段を示す反強磁性体 CeSb (2018)
  • Author(s): 黒田健太, Nafise Rezaei, 鈴木博之, 芳賀芳範, 国定聡, Mojtaba Alaei, Cedric Bareille, 野口亮, 中山充大, 坂野昌人, 明比俊太郎, 大田由一, 橋本嵩広, 都築章宏, 岡崎浩三, 有田将司, 出田真一郎, 田中清尚, 徳永将史, 北澤英明, 辛埴, 有田亮太郎, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 高次高調波を用いた時間・スピン・角度分解光電子分光の装置開発 (2018)
  • Author(s): 黒田健太, 原沢あゆみ, Zhigang Zhao, 矢治光一郎, 藤澤正美, 櫻木俊輔, 野口亮, 近藤猛, 小森文夫, 小林洋平, 辛埴
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] A magnetic Weyl fermion state in non-collinear antiferromagnet Mn3Sn (2018)
  • Author(s): Kenta Kuroda, T. Tomita, M. T. Suzuki, C. Bareille, A. A. Nugroho, P. Goswami, M. Ochi, M. Ikhlas, M. Nakayama, S. Akebi, R. Noguchi, N. Inami, K. Ono, H. Kumigashira, A. Varykhalov, T. Muro, T. Koretsune, R. Arita, S. Shin, T. Kondo, S. Nakatsuji
  • Organizer: International Workshop on Trends in Advanced Spectroscopy in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Determination of the Topological Phase Diagram in Cerium Monopnictides (2018)
  • Author(s): Kenta Kuroda, M. Ochi, H. S. Suzuki, M. Hirayama, M. Nakayama, R. Noguchi, C. Bareille, S. Akebi, S. Kunisada, T. Muro, M. D. Watson, H. Kitazawa, Y. Haga, T. K. Kim, M. Hoesch, S. Shin, R. Arita, T. Kondo
  • Organizer: International Workshop on Trends in Advanced Spectroscopy in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 『弱い』トポロジカル絶縁体の世界初の実証に成功（プレスリリース）
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7464
• [Remarks] 第23回日本放射光学会奨励賞
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7626
• [Remarks] グラフェンで保護されたスズ単原子膜（プレスリリース）
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7818