Cross-sectional research for opt-spintronics explored by time-, spin- and angle-resolved photoemission

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H02683
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 黒田 健太 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ポンププローブ法 / 高次高調波 / レーザー / 超高速 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用

Outline of Annual Research Achievements

スピントロニクスの発展に伴い，トポロジカル物質などの表面で発現するスピン偏極ディラック電子が注目されている。そして近年，光で表面ディラック電子を制御する 「光スピン制御」 が挑戦されており，超高速かつ高い制御性を備えた「光スピントロニクス」 として注目され，その光機能特性が光学・輸送測定などで報告されてきた。しかし，波数分解能がない従来の測定では，表面電子だけでなく光励起されたバルク電子も全て混在して検出してしまうため，検出された光応答が表面ディラック電子に由来しているか？その判別は極めて困難であった。そこで本研究では，高い波数分解能で電子構造とスピン偏極度を一挙に観察できるスピン角度分解光電子分光 (SARPES, spin- and angle-resolved photoemission Spectroscopy) とポンプ・プローブ法を組み合わせた時間分解 SARPES (trSARPES) を実現させ，励起キャリアの波数分布およびスピン偏極度の同時に観察することで，光励起から時々刻々と表面電子がどのように応答するのか？光スピン制御に関する本質的な機能物性を理解するために必要なこの問いに答えることを目的とする実験を行った。トポロジカル絶縁体として知られる Sb2Te3 や Bi 薄膜の表面状態に注目したところ，光励起によって占有状態からフェルミ準位より高エネルギーの非占有の表面電子バンドへ打ち上げられた励起電子の様子をバルク電子状態と区別しながら観測することに成功した。さらに，それらのスピン偏極度の波数分解しながらバンドマップすることで，非占有表面バンドにおけるスピン偏極の波数依存性まで世界で初めて実験的に明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2022)
  • Author(s): Kuroda Kenta、Yaji Koichiro、Noguchi Ryo、Harasawa Ayumi、Shin Shik、Kondo Takeshi、Komori Fumio
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: L121106
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L121106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multipole polaron in the devil’s staircase of CeSb (2022)
  • Author(s): Arai Y.、Kuroda Kenta、Nomoto T.、Tin Z. H.、Sakuragi S.、Bareille C.、Akebi S.、Kurokawa K.、Kinoshita Y.、Zhang W.-L.、Shin S.、Tokunaga M.、Kitazawa H.、Haga Y.、Suzuki H. S.、Miyasaka S.、Tajima S.、Iwasa K.、Arita R.、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 21 Pages: 410～415
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01188-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large anomalous Hall effect induced by weak ferromagnetism in the noncentrosymmetric antiferromagnet CoNb3S6 (2022)
  • Author(s): Tanaka Hiroaki、Okazaki Shota、Kuroda Kenta、Noguchi Ryo、Arai Yosuke、Minami Susumu、Ideta Shinichiro、Tanaka Kiyohisa、Lu Donghui、Hashimoto Makoto、Kandyba Viktor、Cattelan Mattia、Barinov Alexei、Muro Takayuki、Sasagawa Takao、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: L121102
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L121102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Selective observation of surface and bulk bands in polar WTe2 by laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • Author(s): Wan Yuxuan、Wang Lihai、Kuroda Kenta、Zhang Peng、Koshiishi Keisuke、Suzuki Masahiro、Kim Jaewook、Noguchi Ryo、Bareille Cedric、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Shin Shik、Cheong Sang-Wook、Fujimori Atsushi、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 085421
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.085421
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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, T. Kim, C. Cacho, M. Hashimoto, D. Lu, S. Shin, R. Arita, K. Lai, T. Sasagawa, T. Kondo
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 473～479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • Author(s): Zhang Peng、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Lin Chun、Kawaguchi Kaishu、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Lippmaa Mikk、Nie Simin、Weng Hongming、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Li Qiang、Gu G. D.、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Pages: 406
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3 (2021)
  • Author(s): Lin Chun、Ochi Masayuki、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Sakoda Masahito、Nomura Atsushi、Tsubota Masakatsu、Zhang Peng、Bareille Cedric、Kurokawa Kifu、Arai Yosuke、Kawaguchi Kaishu、Tanaka Hiroaki、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Hashimoto Makoto、Lu Donghui、Shin Shik、Arita Ryotaro、Tanda Satoshi、Kondo Takeshi
  • Journal Title: Nature Materials Volume: 20 Pages: 1093～1099
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01004-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極したBi(111)表面状態の観測 (2022)
  • Author(s): 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 第 77 回年次大会（2022年）
• [Presentation] Putting more information on spin-ARPES: from meV energy-resolution to fs time-resolution (2021)
  • Author(s): 黒田健太
  • Organizer: HiSOR seminar
  • Invited
• [Presentation] 高繰り返し 1-MHz 遠紫外 10.7-eV レーザーを取り入れた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2021)
  • Author(s): 黒田健太, 川口海周, 福島優斗, 趙智剛, 谷峻太郎, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 野口亮, 矢治光一郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置におけるソフトウェア開発：デジタル化・オンライン化に向けた取り組み (2021)
  • Author(s): 田中宏明, 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極電子状態の光励起ダイナミクスの観測 (2021)
  • Author(s): 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 時間・スピン・角度分解電子分光による非占有電子状態の観測とチャープ調整による高時間分解能化 (2021)
  • Author(s): 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 笹川崇男, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 高繰り返し10.7 eV レーザーによる時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発と非占有スピン偏極電子状態の観測 (2021)
  • Author(s): 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • Organizer: 表面・界面スペクトロスコピー2021
• [Presentation] Time-, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy of solids in the 10.7- eV extreme-ultraviolet at 1-MHz repetition rate (2021)
  • Author(s): K. Kawaguchi, K. Kuroda, Y. Fukushima, Z. Zhao, S. Tani, H. Tanaka, A. Harasawa, T. Iimori, R. Noguchi, K. Yaji, S. Shin, F. Komori, Y. Kobayashi and T. Kondo
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science
• [Remarks] 川口海周（近藤研D3）氏、表面・界面スペクトロスコピー2021のスチューデントプライズを受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15165
• [Remarks] 川口海周（近藤研D3）氏、日本放射光学会の学生発表賞を受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15275
• [Remarks] 伝導電子と局在スピン・軌道が織りなす悪魔の調律
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=14628