Development of spin-resolved resonant electron-energy-loss spectroscopy and application to spin quantum physics

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H04453
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 木村 真一 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 教授 (10252800)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡邊 浩 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 助教 (50625316)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: スピン偏極電子エネルギー損失分光 / 強相関電子系 / スピン偏極電子源 / スピン偏極散乱 / スピントロニクス

Outline of Annual Research Achievements

次世スピン偏極電流をスピン偏極した電荷集団励起（プラズモン）として直接観測するとともに、重い電子系など強相関電子系の特徴的な物性の起源である磁気励起や電荷励起を、スピン方向と波数を分解して原子軌道を選択的に直接観測することを目的として、スピン分解共鳴電子エネルギー損失分光法（SR-rEELS）を開発を行い、前年度までに初期段階の開発は終了した。その結果として、新たな克服すべき課題が見つかったため、本年度は、以下の点について解決を進めた。 まず、現在の非弾性電子スペクトルのエネルギー分解能はバルク敏感な1.5 keVの入射電子線で約150 meVであるが、弾性散乱の裾が約500 meVまで広がっており、500meV以下の素励起であるプラズモン・フォノン・マグノンの観測が難しい状況にある。そこで、弾性散乱ピークの影響を150 meV程度まで抑制するため、エネルギー分解能を50 meVに上げる計画を進めた。具体的には、入射電子線にエネルギー分散をつけて分解能を向上させるための電子分光器を設計した。この開発は、研究費がつき次第おこなう予定である。さらに、電子スピンを任意の方向に偏極させるためのスピンローテーターを開発し、実装に向けてのテストを行った。さらに、今回SR-rEELSを開発したことで、新たな可能性を発見した。その1つが時間分解SR-rEELS（tSR-rEELS）への展開であり、パルスレーザー光源によってフォトカソードを励起し、光路長30m程度の時間遅延をつけた光励起と同期させることで可能であることがわかった。そこで、この遅延光学系の設計と試作を行い、実働可能であることがわかった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク固体化学物理 研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク固体化学物理 研究所
• [Int'l Joint Research] DGIST/Sogang University(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: DGIST/Sogang University
• [Journal Article] Surface valence transition in SmS by alkali metal adsorption (2023)
  • Author(s): Nakamura Takuto、Nakaya Toru、Ohtsubo Yoshiyuki、Sugihara Hiroki、Tanaka Kiyohisa、Yukawa Ryu、Kitamura Miho、Kumigashira Hiroshi、Imura Keiichiro、Suzuki Hiroyuki S.、Sato Noriaki K.、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Pages: L041102(1)-(6)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L041102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Variation of Strong Correlation Effects in A-site Ordered Perovskites CaCu3Ti4-xRuxO12: Photoemission and Inverse Photoemission Studies (2023)
  • Author(s): Im Hojun、Iwataki Masataka、Tsunekawa Masanori、Watanabe Takao、Sato Hitoshi、Nakatake Masashi、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Pages: 044701(1)-(4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.044701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Electronic Structure Modification in the Hidden Order Phase of CeCoSi (2023)
  • Author(s): Kimura Shin-ichi、Watanabe Hiroshi、Tatsukawa Shingo、Tanida Hiroshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Pages: 043704(1)-(5)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.043704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Breakdown of bulk-projected isotropy in surface electronic states of topological Kondo insulator SmB6(001) (2022)
  • Author(s): Ohtsubo Yoshiyuki、Nakaya Toru、Nakamura Takuto、Le Fevre Patrick、Bertran Francois、Iga Fumitoshi、Kimura Shin-Ichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 5600(1)-(7)
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33347-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fluctuating spin-orbital texture of Rashba-split surface states in real and reciprocal space (2022)
  • Author(s): Nakamura Takuto、Ohtsubo Yoshiyuki、Harasawa Ayumi、Yaji Koichiro、Shin Shik、Komori Fumio、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 235141(1)-(7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.235141
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent progress in clean-surface formation of topological Kondo insulators and topological surface states observed there (2022)
  • Author(s): Ohtsubo Yoshiyuki、Kimura Shin-ichi、Iga Fumitoshi
  • Journal Title: Electronic Structure Volume: 4 Pages: 033003(1)-(13)
  • DOI: 10.1088/2516-1075/ac8631
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of Thickness-Dependent Exchange Interaction in EuO Ultrathin Films (2022)
  • Author(s): Miyazaki Hidetoshi、Hajiri Tetsuya、Matsunami Masaharu、Inukai Manabu、Ito Takahiro、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Frontiers in Nanotechnology Volume: 4 Pages: 872717(1)-(6)
  • DOI: 10.3389/fnano.2022.872717
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relation between Electronic Structure and Thermoelectric Properties of Heusler-Type Ru2VAl Compounds (2022)
  • Author(s): Miyazaki Hidetoshi、Kimura Shin-ichi、Onishi Kensuke、Hihara Takehiko、Yoshimura Masato、Ishii Hirofumi、Mikami Masashi、Nishino Yoichi
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Pages: 1403(1)-(10)
  • DOI: 10.3390/cryst12101403
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] アルカリ金属吸着によるSmSの表面価数転移 (2023)
  • Author(s): 中村拓人、仲矢透、大坪嘉之、杉原弘基、田中清尚、湯川龍、北村未歩、組頭広志、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 時間分解Ｘ線回折によるSmSの光誘起相転移の観測 (2023)
  • Author(s): 陳奕同、渡邉浩、中村拓人、立川槙吾、高橋龍之介、和達大樹、玉作賢治、大沢仁志、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における電子状態の観測 (2023)
  • Author(s): 杉原弘基、中村拓人、陳奕同、M. F. Lubis、田中清尚、木村真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 硫化サマリウムにおける電流誘起絶縁体金属転移の観測 (2023)
  • Author(s): 立川槙吾、渡邊浩、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村 真一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における重い電子状態 (2023)
  • Author(s): 杉原弘基、中村拓人、陳奕同、M. F. Lubis、西原快人、湯川龍、田中清尚、北村未歩、組頭広志、木村真一
  • Organizer: 2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 硫化サマリウムの光誘起非線形バンドシフトと価数転移 (2023)
  • Author(s): 陳奕同, 中村拓人, 渡邉浩, 鈴木 剛, 任千慧, 劉珂成, Y. Zhong, 金井輝人, 板谷治郎, 辛埴, 岡崎浩三, 井村敬一郎, 鈴木博之, 佐藤憲昭, 木村真一
  • Organizer: 第70回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] CeCoSiの光学伝導度スペクトル (2023)
  • Author(s): 木村真一, 伊飼貴一, 立川槙吾, 渡邊浩, 谷田博司
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 時間・角度分解光電子分光による硫化サマリウムにおける光励起バンド構造ダイナミクスの観測 (2022)
  • Author(s): 陳奕同、中村拓人、渡邊浩、鈴木剛、任千慧、劉珂成、Yigui Zhong、金井輝人、板谷治郎、辛埴、岡﨑浩三、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村真一
  • Organizer: 2022年度日本表面真空学会 九州支部学術講演会
• [Presentation] Bi/InAs(110)表面における実空間と波数空間で揺らぐラシュバ型スピンテクスチャー (2022)
  • Author(s): 中村拓人、大坪嘉之、原沢あゆみ、矢治光一郎、辛埴、小森文夫、木村真一
  • Organizer: 2022年度日本表面真空学会 九州支部学術講演会
• [Presentation] 時間分解X線散乱を用いたSmSの光誘起相転移ダイナミクスの観測 (2022)
  • Author(s): 渡邊浩, 陳奕同, 中村拓人, 立川槙吾, 高橋龍之介, 和達大樹, 玉作賢治, 大沢仁志, 井村敬一郎, 鈴木博之, 佐藤憲昭, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 硫化サマリウムにおける電流誘起絶縁体金属転移の観測 (2022)
  • Author(s): 立川槙吾, 渡邊浩, 井村敬一郎, 鈴木博之, 佐藤憲昭, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 強磁性ワイル半金属Co3Sn2S2のテラヘルツ光電場駆動を用いたトポロジカル相転移の起源の探索 (2022)
  • Author(s): 池田良平, 渡邊浩, Myung-Hwa Jung, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における電子状態の観測 (2022)
  • Author(s): 杉原弘基, 中村拓人, 陳奕同, 田中清尚, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 強磁性ワイル半金属Co3Sn2S2のテラヘルツ光電場駆動の温度依存性 (2022)
  • Author(s): 渡邊浩, 池田良平, Myung-Hwa Jung, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 強磁性ワイル半金属Co3Sn2S2のテラヘルツ光電場駆動の電場強度依存性 (2022)
  • Author(s): 池田良平, 渡邊浩, Myung-Hwa Jung, 木村真一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Photo-Induced Band Structure Dynamics of SmS Revealed by TrARPES (2022)
  • Author(s): Y. Chen, T. Nakamura, H. Watanabe, T. Suzuki, Q. Ren, K. Liu, Y. Zhong, T. Kanai, J. Itatani, S. Shin, K. Okazaki, K. Imura, H. S. Suzuki, N. K. Sato, S. Kimura
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fluctuated Spin Texture of Rashba-Split Surface Bands of Low Symmetric Surface Bi/InAs(110)-(2×1) (2022)
  • Author(s): T. Nakamura, Y. Ohtsubo, K. Yaji, A. Harasawa, S. Shin, F. Komori, S. Kimura
  • Organizer: The 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carrier-induced insulator-to-metal transition on SmS (2022)
  • Author(s): H. Watanabe, S. Tatsukawa, Y. Chen, T. Nakamura, K. Imura, H. S. Suzuki, N. K. Sato, S. Kimura
  • Organizer: 11th International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Terahertz electric-field drive on Weyl fermions (2022)
  • Author(s): R. Ikeda, H. Watanabe, M.-H. Jung, S. Kimura
  • Organizer: 11th International Workshop on Infrared Microscopy and Spectroscopy with Accelerator Based Sources
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Origin of the valence transition in samarium mono-sulfide (2022)
  • Author(s): S. Kimura
  • Organizer: 3-day International Conference on Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SmS におけるアルカリ金属吸着による表面価数転移 (2022)
  • Author(s): 中村拓人、仲矢透、大坪嘉之、杉原弘基、田中清尚、湯川龍、北村未歩、組頭広志、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村真一
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] YbCu2/Cu(111)表面合金における重い電子状態 (2022)
  • Author(s): 杉原弘基、中村拓人、陳奕同、西原快人、M. F. Lubis、田中清尚、木村真一
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] 硫化サマリウムにおける電流誘起絶縁体金属転移 (2022)
  • Author(s): 立川槙吾、渡邊浩、井村敬一郎、鈴木博之、佐藤憲昭、木村真一
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Remarks] Kimura Laboratory
  • URL: http://www.kimura-lab.com/index.html