2019 Fiscal Year Research-status Report
スピン分解光電子分光の基礎理論の構築に向けた光電子スピン干渉の研究
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18K03484
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
矢治 光一郎 東京大学, 物性研究所, 助教 (50447447)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スピン軌道結合 / 表面状態 / スピン分解光電子分光 / スピン干渉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン・角度分解光電子分光（SARPES）を含む光電子分光法は始状態、終状態、及び光のベクトルポテンシャルからなる光学遷移行列要素を観測している。したがって，SARPESで観測されるのは光電子のスピン構造であり、始状態のスピン構造との対応は自明でない。本研究は、光電子が励起過程でどのようにスピン干渉し、どのようにスピンベクトルが回転しているかを解明し、そこから始状態のスピン構造を知るための基礎理論を構築するものである。
当該年度は，Ge(111)基板上に成長させたPb単原子層物質のスピン偏極電子状態か放出された光電子のスピン構造をSARPESにより調べた。その結果、観測される光電子スピンの向きはp偏光とs偏光とで反対向きになることを見出した。よって、Pb単原子層の電子状態は、それぞれ反対向きのスピンと結合した対称軌道成分と反対称軌道成分の線形結合で書けることがわかった。また、光の電場ベクトルをp偏光やs偏光からずらすと、光電子のスピンベクトルは始状態のスピン構造から回転していることがわかった。これは異なる方向のスピンが同時励起され、スピン干渉した結果であると考えられる。さらに、このスピンベクトル回転は光の入射角に依存して変化することも見出した。これまでのスピン干渉に関する研究は、トポロジカル物質を中心に行われていた。実際、光励起過程におけるスピン干渉効果を物質のトポロジーと関連づけて議論している報告もある。しかしながら本研究では、トポロジカルに自明な物質においてもスピン干渉効果によるスピンベクトル回転が生じることを明らかにした。これらの結果から、スピン干渉は電子状態のトポロジーとは関係なく強いスピン軌道結合の結果として生じると結論付けた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光電子分光は始状態、終状態および光のベクトルポテンシャルからなる光学遷移行列要素を二乗した光電子強度を観測している。これは複素数である遷移行列要素そのものについての情報を得ることができないことを意味している。ところが、光電子のスピン干渉効果は光学遷移行列要素の複素数としての性質に由来するので、光電子のスピン構造を調べることにより、遷移行列要素の情報を得ることができ、光励起過程を量子力学的に理解することができる。当該年度は、光電子分光を行う際の測定系の幾何学配置を変化させた際に、光励起過程におけるスピン干渉効果がどのような影響を受け、光電子のスピン構造がどのように変化するかを実験的に調べることができた。
さらに当該年度には、ガリウム単結晶表面の電子状態の研究にも着手した。この物質は巨大磁気抵抗と超伝導が共存する物質として知られており、これにはトポロジカルな電子状態が重要な役割を果たしていると考えられる。このような新規物質の電子状態を解明するためには、光電子と始状態のスピン偏極電子状態がどのような関係にあるかを明らかにすることが重要である。また、これまでの光電子スピンに関する研究は三回対称性を持つ物質群を中心に行なわれてきた。一方、ガリウム単結晶表面は二回対称性を持っており、これまでとは異なるスピン干渉効果が期待される。当該年度には、放射光を用いたARPESによりガリウム単結晶の電子状態の研究を行った。その結果、バルク電子状態と表面電子状態を明確に識別することに成功した。表面状態にはラシュバ型に分裂した電子状態とディラックコーン型の電子状態の両方があることを発見した。
以上のような理由から，本研究は順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
過去二年間は、励起光として7eVレーザーを使用し、スピン偏極した電子状態から放出された光電子のスピン構造の偏光依存性および光入射角依存性を調べ、光励起過程におけるスピン干渉効果について明らかにした。最終年度は励起光のエネルギーを変えて光電子のスピン偏極度の解明を行う予定である。励起光のエネルギーを変えると、同じ始状態であっても終状態が異なるので、光学遷移行列要素が変化し光電子のスピン干渉効果に影響を与えるはずである。また、光電子のスピン干渉効果の試料依存性の研究も行う予定である。試料には電子状態の三回対称な構造を持つGe(111)基板上のPb単原子層と２回対称な構造を持つガリウム単結晶表面を用いる。
SARPES測定は東京大学物性研究所において開発された11eVレーザーを用いた高分解能・三次元SARPES装置を用いて行う。光エネルギー7eVと11eVで得られる光電子のスピン構造を比較し、励起光エネルギーによって光電子のスピン構造が異なるメカニズムを解明する。また、放射光を用いた角度分解光電子分光も相補的に用いる。これらを総合的に比較検討することにより光電子のスピン干渉に関してより深く理解したいと考えている。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では令和元年度に海外の放射光施設を使って角度分解光電子分光研究を行う予定にしていたが、残念ながら申請課題が採択されなかった。そこで研究を遂行するために国内の放射光施設を使用した。これにより当初の計画よりも旅費が少なくなった。また、当該年度にはAu(111)単結晶を用いてスピン干渉の研究を行う予定にしていたが，共同研究者よりガリウム単結晶試料の提供があり、この試料の電子状態の研究を遂行する方が優先度が高いと判断し、この研究を行った。これにより，当初の目的であった光電子のスピン構造に関する知見だけでなく、未解明なガリウム単結晶表面のスピン偏極電子状態に関して重要な成果を得ることが見込まれる。この予定変更により、当初はAu(111)単結晶試料購入費として考えていた経費を使用する必要がなくなった。これらが次年度への繰越が生じた主たる事由である。この予算は，最終年度に出張実験や学会発表を行うための旅費として使用する予定である。
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Research Products
(11 results)
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[Journal Article] Fully spin polarised bulk states in ferroelectric GeTe2020
Author(s)
J. Krempasky, M. Fanciulli, L. Nicolai, J. Minar, H. Volfova, O. Caha, V. V. Volobuev, J. Sanchez-Barriga, K. Kuroda, K. Yaji, S. Shin, F. Komori, G. Springholz and J. H. Dil
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 2
Pages: 013107
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Fermi level tuning of one-dimensional giant Rashba system on a semiconductor substrate: Bi/GaSb(110)-(2×1)2019
Author(s)
T. Nakamura, Y. Ohtsubo, N. Tokumasu, P. Le Fevre, F. Bertran, S. Ideta, K. Tanaka, K. Kuroda, K. Yaji, A. Harasawa, S. Shin, F. Komori , S. Kimura
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Journal Title
Physical Review Materials
Volume: 3
Pages: 126001
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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