2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of 2D electron spin detector and research of ferromagnetic topological insulator
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19H01845
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
相馬 清吾 東北大学, スピントロニクス学術連携研究教育センター, 准教授 (20431489)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / 磁性薄膜 / 希薄磁性半導体 / ワイル半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁性トポロジカル絶縁体の物性に関わるような微細なスピン電子構造の解明を目的として、圧倒的なスピン検出効率向上のための装置開発を行った。現行のVLEEDスピン検出システムは３次元スピンベクトル測定のために２台のVLEED検出器に電子ビームを振り分けているが、装置調整の結果、それぞれの検出器ターゲットへの電子入射条件が異なっていることを見出した。ミューメタルシールドの構成を検討した結果、漏洩磁場により現行の装置では補正できない鉛直方向に電子ビームが偏向している可能性があることを見出した。これを補正するための新たな偏向レンズの基本設計を行い、また現時点で２台のVLEEDのスピン検出性能を最適化する電圧パラメーターを見出した。スピン検出器の２次元化のために、電子のスピンイメージングに最適なターゲットとなる単結晶薄膜と電子入射条件について基本設計を行なった。さらに、稼働している高分解能スピン分解光電子分光装置の改良として、CWレーザー光源を装置に導入するための光学系の設計と製作を行なった。試料の表面の粗さを克服してデータの精度と質を向上させるため、レーザー光を微小スポット化するための集光光学系を設計し、また、試料マニピュレーターの高安定化と微細制動の実現のために、装置各部の振動測定と位置エンコーダーの導入を行なった。
装置改良と並行して、様々な高機能物質について高分解能ARPES実験を行い、電子状態のバンド構造とフェルミ面およびスピン構造の決定を行った。強磁性トポロジカル絶縁体(Cr,Sb)2Te3について価電子帯のホールバンド分散とフェルミ面電子構造のCrドープ依存性を決定することに成功した。また、反強磁性トポロジカル候補物質CeBiにおいて表面ディラック電子状態を観測し、その形状と個数が反強磁性転移で明確に変化する様子を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究を開始した当初に、電子をスピン検出器に入射させる直前に電子のスピンベクトルを任意の方向に変えられるスピン操作器が発明され、その導入によりスピン検出器の性能を格段に向上させられることから、計画を一部変更してこの装置のプロトタイプの設計を業者と共同で進めた。しかしながら、印加磁場の高速制御には磁芯の製作に予想以上のコストが掛かることが分かり、検討の結果、本研究による装置の製作を断念し、装置開発を当初の計画に戻して、従来のVLEEDスピン検出器の改良を進めることとした。電子軌道の解析などから、スピン検出向上のための改良点について目処が立てることができたが、そのための部品や電子機器の製作に遅れが生じ、その一部を次年度以降に行うこととした。
強磁性トポロジカル絶縁体の研究は順調に進んでおり、バンド構造における磁性イオン濃度依存性を明確に観測することができた。実験結果から、(Cr,Sb)2Te3における高いキュリー温度の実現には、キャリアを媒介とするRKKY相互作用と、価電子帯から伝導帯への励起によるvan-Vleck相互作用の、二つの強磁性相互作用が矛盾なく共存することが重要であるとの知見を得た。現在、この結果について論文を作成している。また、反強磁性体CeBiにおいて反強磁性転移における表面ディラック電子構造の変化を明確に観測した。本成果はトポロジーに起因する表面電子構造が母物質の反強磁性型の転移による変化することを実験的に初めて示したものであり、反強磁性秩序下でトポロジカル相が存在することの有力な証拠である。
以上のように、ARPES研究は計画通りに順調にすすんでいるものの、装置開発の方で最新技術の検討による遅延が生じたことから、計画全体にはやや遅れがあると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
スピン検出用ターゲットへの入射電子数を最大化するため、電子偏向器を１台製作し、そのインストールを行う。さらに、二つのVLEEDスピン検出器への電子振り分け光学系の制御システムと、ターゲットの自動磁化装置の製作を行い、電子スピンの３次元ベクトル測定の効率を向上させて、スピン軌道相互作用による複雑化した電子スピンの偏極度の完全決定を行う。また、電子のスピンイメージングに最適なターゲットとなる単結晶薄膜と電子入射条件について、慎重に検討を進めるとともに、より高品質ターゲット作成と検出器への移送システム確立を行うために、ターゲットホルダや加熱機構、磁化機構の改良を行う。さらに、CWレーザーの発振部の安定化と調整をすすめるとともに、試料マニピュレーターの高安定化と微細制動を実現し、マイクロメートル領域の空間分解能によるスピン分解光電子分光測定を行う。
これらの装置開発と並行して、強磁性トポロジカル絶縁体の電子構造の研究を行う。ポンププローブ光源を用いて(Cr,Sb)2Te3の非占有状態のバンド構造を決定する。ディラックギャップ近傍のスピンテクスチャーを精密に測定し、ギャップの形成がCrイオンとの交換相互作用によるものかどうか、その起源を考察する。強磁性近接効果によるディラックギャップ形成についても知見を得るため、ファンデルワールス結晶の強磁性絶縁体Cr2Ge2Te6にトポロジカル絶縁体薄膜やBi金属などを成長させ、強磁性転移によりエネルギー縮退が解ける様子とスピンテクスチャーの観測を行う。また、反強磁性転移と表面ディラック電子状態との相関を調べるために、スピン分解ARPESにより表面電子構造とスピンテクスチャーの温度依存性を精密に測定する。
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[Presentation] ARPESによるハーフホイスラーGdPtBiのバルク/表面電子構造の観測2020
Author(s)
高根大地, 鈴木健士, 相馬清吾, 山内邦彦, 中山耕輔, 堀健太郎, C. X. Trang, Emile D. L. Rienks, 北村未歩, C. Cacho, T. Kim, 堀場弘司, 組頭広志, 小口多美夫, 高橋隆, J. G. Checkelsky, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 第７５回年次大会
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[Presentation] トポロジカル絶縁体/ファンデルワールス強磁性体ハイブリッドの高分解能ARPES2019
Author(s)
加藤剛臣, 伊東直洋, 佐藤匠, 中田優樹, 菅原克明, 相馬清吾, 中山耕輔, 高橋隆, 塩見雄毅, 齊藤英治, 佐藤宇史
Organizer
日本物理学会 2019年秋季大会
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