Photoelectron spin interference studied for the basic theory of spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03484
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 矢治 光一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (50447447)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: スピン軌道結合 / スピン干渉 / スピン角度分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

光励起過程は、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により記述される。したがって、スピン角度分解光電子分光（SARPES）で観測しているのは光電子のスピン構造である。本研究では、様々な光励起条件でスピン軌道結合した電子状態を励起し、光電子スピンの情報と始状態のスピン構造の対応関係を定式化することを目的としている。
これまでの研究から、光の電場ベクトルが入射面に平行なp偏光と垂直なs偏光では表面状態から放出される光電子のスピンの向きは完全に反転することがわかっている。これは、p偏光励起では鏡映面に対して対称な波動関数を、s偏光励起では鏡映面に対して非対称な波動関数を選択的に励起し、対称軌道と非対称軌道は互いに反対向きのスピンと結合していることを意味する。また軌道波動関数の対称性の要請から、始状態ではスピンは必ず鏡映面垂直方向を向くこともわかっている。
当該年度は、典型的なトポロジカル絶縁体であるビスマスセレン化合物の鏡映面上のスピン軌道結合した電子状態を円偏光励起した際の光電子のスピン構造を３次元SARPESで調べた。まず、円偏光で励起された光電子のスピンベクトルは始状態のスピン構造とは異なる方向を向くことがわかった。さらに、右円偏光で励起された光電子のスピンベクトルと左円偏光で励起された光電子のスピンベクトルを比較すると、スピンベクトルのy成分は右円偏光励起と左円偏光励起で同じであるが、x－zスピン成分は互いに180度反転することを見出した。
実験で観測された光電子のスピン構造は、円偏光のベクトルポテンシャルを考慮に入れた光学遷移行列要素から計算されるスピン構造でよく説明できる。よって、円偏光励起では、光励起過程で上向きスピンと下向きスピンが干渉し励起電子のスピンベクトルは始状態とは異なる方向を向くと結論づけた。

Research Products

• [Journal Article] Structure and electronic structure of van der Waals interfaces at a Au(1 1 1) surface covered with a well-ordered molecular layer of n-alkanes (2021)
  • Author(s): Mizushima Hirotaka、Koike Harunobu、Kuroda Kenta、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Ishida Yukiaki、Nakayama Mitsuhiro、Mase Kazuhiko、Mukai Kozo、Kitazawa Tatsuya、Kondo Takeshi、Yoshinobu Jun、Shin Shik、Kanai Kaname
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 535 Pages: 147673～147673
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.147673
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains (2021)
  • Author(s): R. Noguchi, M. Kobayashi, Z. Jiang, K. Kuroda, T. Takahashi, Z. Xu, D. Lee, M. Hirayama, M. Ochi, T. Shirasawa, P. Zhang, C. Lin, C. Bareille, S. Sakuragi, H. Tanaka, S. Kunisada, K. Kurokawa, K. Yaji, A. Harasawa, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, T. K. Kim, C. Cacho, M. Hashimoto, D. Lu, S. Shin, R. Arita et al.
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 473～479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • Author(s): P. Zhang, R. Noguchi, K. Kuroda, C. Lin, K. Kawaguchi, K. Yaji, A. Harasawa, Mikk Lippmaa, S. Nie, H. Weng, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, Qiang Li, G.D. Gu, S. Shin, and T. Kondo
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 406-1-406-7
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Atomic-layer Rashba-type superconductor protected by dynamic spin-momentum locking (2021)
  • Author(s): Yoshizawa Shunsuke、Kobayashi Takahiro、Nakata Yoshitaka、Yaji Koichiro、Yokota Kenta、Komori Fumio、Shin Shik、Sakamoto Kazuyuki、Uchihashi Takashi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 1462-1-1462-8
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21642-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Topological Surface State of Bi2Se3 Modified by Adsorption of Organic Donor Molecule Tetrathianaphthacene (2020)
  • Author(s): Kitazawa Tatsuya、Yaji Koichiro、Shimozawa Kosuke、Kondo Hiroshi、Yamanaka Takayoshi、Yaguchi Hiroshi、Ishida Yukiaki、Kuroda Kenta、Harasawa Ayumi、Iwahashi Takashi、Ouchi Yukio、Komori Fumio、Shin Shik、Kanai Kaname
  • Journal Title: Advanced Materials Interfaces Volume: 7 Pages: 2000524～2000524
  • DOI: 10.1002/admi.202000524
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator $${\hbox {MnBi}}_2 {\hbox {Te}}_4$$ (2020)
  • Author(s): Shikin A. M.、Estyunin D. A.、Klimovskikh I. I.、Filnov S. O.、Schwier E. F.、Kumar S.、Miyamoto K.、Okuda T.、Kimura A.、Kuroda K.、Yaji K.、Shin S.、Takeda Y.、Saitoh Y.、Aliev Z. S.、Mamedov N. T.、Amiraslanov I. R.、Babanly M. B.、Otrokov M. M.、Eremeev S. V.、Chulkov E. V.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 13226-1-13
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70089-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orbital Angular Momentum Induced Spin Polarization of 2D Metallic Bands (2020)
  • Author(s): Kobayashi Takahiro、Nakata Yoshitaka、Yaji Koichiro、Shishidou Tatsuya、Agterberg Daniel、Yoshizawa Shunsuke、Komori Fumio、Shin Shik、Weinert Michael、Uchihashi Takashi、Sakamoto Kazuyuki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 125 Pages: 176401-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.176401
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スピン角度分解光電子分光・光電子顕微鏡の開発 (2021)
  • Author(s): 矢治光一郎、津田俊輔
  • Organizer: NIMS先端計測シンポジウム2021
• [Presentation] 偏光励起SARPESで解き明かすスピン軌道結合電子状態 (2021)
  • Author(s): 矢治光一郎
  • Organizer: SCTM2020 ワークショップ「超伝導物質、トポロジカル物質」
  • Invited
• [Presentation] スピン角度分解光電子分光による電子状態計測 ～物質研究から材料研究へ～ (2021)
  • Author(s): 矢治光一郎
  • Organizer: 日本表面真空学会2021年度関東支部講演大会
  • Invited