2021 Fiscal Year Annual Research Report
オペランド（外場印加）スピン角度分解光電子分光によるトポロジカル相転移の研究
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20H00347
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
奥田 太一 広島大学, 放射光科学研究センター, 教授 (80313120)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル相転移 / スピン・角度分解光電子分光 / 外場印加下光電子分光 / マイクロビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカル絶縁体に代表されるトポロジカル物質の外場（温度、圧力、電場など）によるトポロジカル相転移は理論的に予測されているが、実験的な実証はまだほとんど行われていない。本研究では、トポロジカル物質の電子状態（バンド分散、スピン偏極）を直接観測できるスピン・角度分解光電子分光を外場を印加しながら行いトポロジカル相転移の物理を解明することを目的としている。
一方、スピン・角度分解光電子分光法は測定効率が悪いという問題があるため、様々な条件下での電子状態を効率よく観測するための工夫が必要となる。そこで、本研究では意図的に試料に温度勾配、圧力勾配、電場勾配などを生じさせ、測定に用いる励起光（放射光、レーザーなど）を微小に絞り、試料上の位置を変化させて測定することにより効率よく外場の変化による電子状態の変化を観測することを予定している。令和２年度にスピン・角度分解光電子分光装置の設置されている放射光ビームラインの放射光ビームを微小化を進めるための取り組みを行い、キャピラリー型のミラーの設計・製作を行い、銅製のテストミラーを製作した。令和３年度にはこの銅製ミラーをビームラインに導入し、ビームサイズの見積もりなどを行った結果、横400μm×縦100μm程度にビームが縛られていることを確認した。
また、マイクロビームを試料上で照射する位置を再現よく変化させるためにステッピングモーター制御式の高精度のXYZステージを導入した。制御プログラムも整備中である。
一方、電圧を印加したり電流を流しながらの電子状態測定に向けて、多端子の電極を持つ試料ホルダーを作成し、それらの電極に電圧を印加できるようにのマニピュレータの改造を行った。また圧力印加用の試料ホルダーも作成し、圧力印加しながらのスピン・角度分解光電子分光のテスト測定を行った。
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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
外場印加下での光電子分光は、光電子が外場により影響を受ける可能性があるため、あまり行われてこなかった。しかし、最近試料ホルダーを工夫することにより一軸圧力を印加した試料や、電場をかけた試料の測定などが報告され始めている。また温度依存性の測定は細かい温度制御が難しいため、多数の温度点での測定は困難であった。本研究では光電子分光に用いる励起光を微小に絞り、圧力勾配、電場勾配、温度勾配などをつけた試料上で測定位置を変えることにより、様々な条件下での電子状態変化を効率よく観測し、近年理論的に予測されているトポロジカル物質の電子状態の相転移を観測することを目的としている。
R３年度は、初年度に作成した銅製のプロトタイプの回転楕円ミラーとミラー位置決め機構を用いて、ビームの集光テストを行った。その結果、回転楕円ミラーの上流に既設されていた一次集光用のトロイダルミラーの性能が悪く、横方向のビームサイズが設計値より4倍程大きくなっている（横4 mm×縦1 mm）ことが判明した。そのため試料位置で得られたビームサイズは横400μm×縦100μm程度で、予定のサイズ（横100μm×縦100μm）よりも大きくなっている。この問題については圧力や温度、電圧の勾配を小さくするか、勾配方向を横方向ではなく縦方向にすることである程度回避できると考えている。また一次集光時の横方向の広がりをスリットを用いて制限することで改善することも検討中である。
一方試料の位置制御についてはステッピングモータ制御の高精度XYZステージを導入し、制御プログラムも完成した。上記の光のサイズの1/10以下の十分な精度で位置制御が可能である。また、圧力印加用の試料ホルダーと電圧印加用の試料ホルダーおよびそれに対応したマニピュレータの改造を行い、テスト測定を開始している。
以上のように、概ね計画どおりのスケジュールで順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のようにR３年度に行った銅製の回転楕円ミラーによるテストで放射光の集光性能は確認できた。今年度はこの銅製ミラーの表面に金メッキを施したミラーのテストを４月中に行う。金コーティングをしてもビームサイズは変わらないが、表面の酸化が抑えられるだけでなく、光の反射率も向上することが期待される。すでに前項で述べたように、得られた放射光集光ビームのサイズが予定のサイズよりも大きい点については、一次集光後の光の横幅をスリットなどで制限するなどしてビームサイズの改善を目指すが、その対策だけでは十分でない場合には、既存の6eVレーザ光源を用いたマイクロビーム（およそ10 μm）による測定も検討する。
もう一つの課題である試料への外場印加については、昨年度製作した圧力印加試料ホルダーと電圧印加多端子試料ホルダーを用いた試料測定を行う。すでに圧力印加測定についてはテスト測定も行い、その問題点なども明らかになってきている。本年度はさらに測定を行なって問題点を洗い出し、それをフィードバックしてより性能の良い外場印加試料ホルダーを設計・製作し、より明瞭なデータを得ることを目指す。さらに、試料位置の高精度位置極めシステムも動作テストが終わったので、本年度は外場印加中の電子状態変化について本格的な測定を開始する。
測定試料に関しては当初予定通りトポロジカル相転移が生じる可能性のある試料や、電圧によりスピンテクスチャの変わることの予想されている試料などに加え、最近注目されているキラリティ誘起スピン選択効果（Chirality Induced Spin Selectivity(CISS)）と呼ばれる、電流によりスピン偏極電流が生じる試料についても、多端子試料ホルダーを用いて試料に電流を流しながら光電子測定を行うことで、スピン偏極電子状態が誘起される原理を解明していく。
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