カイラル金属磁性とフェルミ面のスピン分裂

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03863
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 佐藤 仁 広島大学, 放射光科学研究センター, 准教授 (90243550)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大原 繁男 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60262953) ; 奥田 太一 広島大学, 放射光科学研究センター, 教授 (80313120)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: カイラル磁性体 / 強相関電子系 / スピン分解光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

カイラル結晶構造をもつ4f電子系金属磁性体の伝導電子バンド・フェルミ面のスピン分裂が，カイラル磁気構造(左巻き・右巻きらせん磁性)の発現にどのように関与しているのか，その物理的描像の解明を目的とする．カイラル磁気構造は，伝導電子を媒介とする，4fスピンを「揃える」対称スピン相互作用(RKKY相互作用)に，スピンを「ねじる」反対称スピン相互作用(DM相互作用)が加わることで生じる．絶縁磁性体の場合とは異なり，金属磁性体のDM相互作用の起源は，不明確な状況にある．本研究では，最近発見された，4f電子系では初のカイラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)3Al9について，スピン分解光電子分光により伝導電子のスピン状態を直接観測し，磁気構造との相関を抽出することを目的としている．
本年度は，Yb(Ni1-xCux)3Al9(x=0,0.06)について単結晶育成を行った．YbNi3Al9に関しては，温度勾配を利用したフラックス法を用いることで，従来の3倍程度の大きさをもつ単結晶の育成に成功した．前準備として，へき開により清浄な(001)表面を準備し，スピン積分モードでの高分解能角度分解光電子分光を，広島大学放射光科学研究センターBL-9Aで実施した．gamma点周りにフェルミ準位を横切る2本のホールポケットが観測された．また，フェルミ面マッピングを行うことにより，gamma点周りに計3本のホールポケットと，1本の電子ポケットが観測された．得られた伝導電子バンドの分散はそれほど明瞭ではなかったが，試料表面を鏡面研磨した後，Arスパッタとアニールを繰り返すことで，より清浄平坦な表面が得られ，これらのフェルミ準位を横切るバンドにおけるスピン分裂の有無についての議論が可能になると期待される．現在鏡面研磨をすすめている段階にある．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画に従って，Yb(Ni1-xCux)3Al9(x=0,0.06)について単結晶育成を行い，大型の単結晶の育成に成功した．現在試料表面の鏡面研磨をすすめている段階だが，YbNi3Al9に関しては，へき開表面に対して，高分解能角度分解光電子分光を実施し，フェルミ面を横切る3枚のホールポケットと1枚の電子ポケットが存在することを明らかにした．鏡面研磨とArスパッタ・アニールを組み合わせた清浄平坦試料表面の準備により，より明瞭なバンド分散の観測が期待できる．
試料表面準備に関しては，別のYb化合物であるYbInCu4の(111)面で，経験を積んで来ている．Arスパッタと概ね400 deg. Cでのアニールを繰り返すことにより，6回対称の低エネルギー電子線回折パターンが観測され，角度分解光電子分光において，Yb 4fバンドとともに，伝導電子バンドが観測されており，Yb(Ni1-xCux)3Al9単結晶への応用が可能である．
結晶育成の観点からは，温度勾配を利用したフラックス法を用いることで，エナンチオピュアな(片方のカイラル構造をもつ)単結晶育成がすすんできている．当初の計画のYbNi3Al9のスピン分解モードでのテスト測定までは至らなかったが，周辺において成果が得られており，概ね順調に進展していると判断した．

Strategy for Future Research Activity

既に育成済みのYb(Ni1-xCux)3Al9単結晶(x=0,0.06)について，試料表面の鏡面研磨をすすめ，鏡面研磨が終了した後，超高真空槽に投入し，Arスパッタ・アニールを行い，清浄平坦試料表面を得る．アニール温度は，YbInCu4の経験をもとに，400 deg. Cから徐々に高くしていく．試料表面の評価は，低エネルギー電子線回折およびオージェ電子分光により行う．広島大学放射光科学研究センター(HiSOR)BL-7で，予備の角度分解光電子分光(ARPES)を行い，バンド分散が観測できることを確認した後，HiSOR BL-9Aでの高分解能ARPES，BL-9Bでのスピン分解ARPESへとすすめていく．また，Yb(Ni1-xCux)3Al9単結晶(x=0.02,0.04)の育成を行い，同様な方法で研究をすすめる．

Causes of Carryover

本年度実施予定だったYbNi3Al9のスピン分解モードでのテスト測定に至らなかったため，必要となる加熱用試料ホルダーなどの物品費を，次年度に繰り越した．次年度は，YbNi3Al9の本測定に加え，Yb(Ni1-xCux)3Al9(x=0.06)のテスト測定も予定しているため，本年度と次年度をあわせた予算が必要となる．

Research Products

• [Journal Article] Abrupt change in hybridization gap at the valence transition of YbInCu4 (2020)
  • Author(s): H. Anzai, S. Ishihara, K. Mimura, H. Sato, M. Arita, T. Zhuang, K. Hiraoka
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Pages: 033408/6p
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033408
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence of the Kondo resonance in the photoemission spectra of the heavy-fermion compounds YbXCu4 (X = Mg, Cd, and Sn) (2020)
  • Author(s): H. Anzai, K. Morikawa, H. Shiono, H. Sato, S.-i. Ideta, K. Tanaka, T. Zhuang, K. T. Matsumoto, K. Hiraoka
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 235160/7p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.235160
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heavy fermion state of YbNi2Si3 without local inversion symmetry (2020)
  • Author(s): S. Nakamura, K. Hyodo, Y. Matsumoto, Y. Haga, H. Sato, S. Ueda, K. Mimura, K. Saiki, K. Iso, M. Yamashita, S. Kittaka, T. Sakakibara, S. Ohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 024705/5p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.024705
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valence-selective local atomic structures on an YbInCu4 valence transition material by x-ray fluorescence holography (2020)
  • Author(s): S. Hosokawa, N. Happo, K. Hayashi, K. Kimura, T. Matsushita, J. R. Stellhorn, M. Mizumaki, M. Suzuki, H. Sato, K. Hiraoka
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 034603/5p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.034603
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure of Yb(Ni1-xCox)3Ga9 studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy (2020)
  • Author(s): Y. Utsumi, D. Mondal, J. Fujii, I. Vobornik, S. Nakamura, S. D. Matkovic-Calogovic, S. Ohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 044711/4p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.044711
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure effect on the chiral helimagnetic order in YbNi3Al9 (2020)
  • Author(s): Y. Ota, K. Umeo, T. Otaki, Y. Arai, T. Onimaru, S. Nakamura, S. Ohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 044715/5p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.044715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reentrant quantum phase transitions in a frustrated effective spin-1/2 zigzag chain of an Yb-based semiconductor YbCuS2 (2020)
  • Author(s): Y. Ohmagari, T. Onimaru, Y. Yamane, Y. Shimura, K. Umeo, T. Takabatake, H. Sato, N. Kikugawa, T. Terashima, H. T. Hirose, S. Uji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 093701/5p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.093701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enantiopure crystal growth of a chiral magnet YbNi3Al9 via the flux method with a temperature gradient (2020)
  • Author(s): S. Nakamura, J. Inukai, T. Asaka, J. Yamaura, S. Ohara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Pages: 104005/5p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.104005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence of the Kondo resonance peak in photoemission spectra of rare earth compound YbMgCu4 (2020)
  • Author(s): K. Morikawa, H. Shiono, H. Sato, S. Ideta, K Tanaka, T. Zhuang, K. Matsumoto, K. Hiraoka, H. Anzai
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 30 Pages: 011119/4p
  • DOI: 10.7566/JPSCP.30.011119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Yb L3 resonant hard x-ray photoemission spectroscopy of valence transition compound YbInCu4 (2020)
  • Author(s): K. Maeda, H. Sato, Y. Akedo, T. Kawabata, K. Abe, R. Shimokasa, A. Yasui, M. Mizumaki, N. Kawamura, E. Ikenaga, S. Tsutsui, K. Matsumoto, K. Hiraoka, K. Mimura
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 30 Pages: 011137/4p
  • DOI: 10.7566/JPSCP.30.011137
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topologically nontrivial phase-change compound GeSb2Te4 (2020)
  • Author(s): M. Nurmamat, K. Okamoto, S. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, V. O. Korostelev, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. Wang, Y. Ishida, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, K. Shimada, S. Shin, A. Kimura
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 14 Pages: 9059-9065
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c04145
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone (2020)
  • Author(s): T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev E. V. Chulkov
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 4821/8p
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18645-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure (2020)
  • Author(s): M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, T. Kondo
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: 136404/5p
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.136404
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 温度勾配フラックス法によるカイラル磁性体YbNi3Al9のエナンチオピュア結晶の合成 (2021)
  • Author(s): 中村翔太, 犬飼順也, 浅香透, 山浦淳一, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 共鳴X線回折によるDyNi3Ga9の反強磁性フロップの観測 (2021)
  • Author(s): 塚越舜, 松村武, 道村真司, 稲見俊哉, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Co2MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果 (2021)
  • Author(s): 角田一樹, 桜庭裕弥, 増田啓介, 河野嵩, 鹿子木将明, 後藤一希, Weinan Zhou, 宮本幸治, 三浦良雄, 奥田太一, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 強磁性Co2MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果の観測 (2021)
  • Author(s): 角田一樹, 桜庭裕弥, 増田啓介, 河野嵩, 鹿子木将明, 後藤一希, Weinan Zhou, 宮本幸治, 三浦良雄, 奥田太一, 木村昭夫
  • Organizer: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Electronic structures and chemical natures of inhomogeneous Gd-TM (TM = Co, Ni, and Cu) metallic glasses (2021)
  • Author(s): S. Hosokawa, J. R. Stellhorn, H. Sato, J. Jiang, H. Kato
  • Organizer: The 25th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ARPES study of the mechanically polished FeSi [001] surface (2021)
  • Author(s): M. Arita, E. F. Schwier, H. Sato, K. Shimada, T. Kanomata
  • Organizer: The 25th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ybジグザグ鎖をもつYbCuS2の磁場誘起相 (2020)
  • Author(s): 大曲雄大, 鬼丸孝博, 山根悠, 志村恭通, 梅尾和則, 高畠敏郎, 松本拓真, 前田和大, 佐藤仁, 廣瀬陽代, 菊川直樹, 寺嶋太一, 宇治進也
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 共鳴硬X線光電子分光によるCeRh3の電子状態の研究 (2020)
  • Author(s): 井角元, 水牧仁一朗, 雀部矩正, 保井晃, 明渡悠, 河端拓, 下笠諒平, 柴垣善則, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 広瀬雄介, 摂待力生, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 共鳴硬X線光電子分光によるEuNi2(P1-xGex)2の電子状態の研究 (2020)
  • Author(s): 井上賢太, 田村浩太郎, 井角元, 柴垣善則, 保井晃, 雀部矩正, 水牧仁一郎, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 光田暁弘, 和田裕文, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 一軸性キラル磁性体YbNi3Al9の圧力下比熱測定 (2020)
  • Author(s): 太田善彦, 梅尾和則, 鬼丸孝博, 中村翔太, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 高圧下YbNi3Ga9およびYbCu2Ge2の光学伝導度と電子状態 (2020)
  • Author(s): 岡村英一, 大原繁男, 大貫惇睦, 池本夕佳, 森脇太郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] キラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)Al9のホール効果測定 (2020)
  • Author(s): 泉川尚斗, 中村翔太, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Co置換によるDyNi3Ga9の磁気秩序の抑制 (2020)
  • Author(s): 廣瀬悠人, 佐藤嵩晃, 中村翔太, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 新物質CeNi6Si5の単結晶育成と電子物性 (2020)
  • Author(s): 中村翔太, 矢島健, 大原繁男
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 擬一次元電荷密度波化合物NbTe4の電子状態II (2020)
  • Author(s): 三石夏樹, 千葉正義, 坂野昌人, 堀場弘司, 組頭広志, 宮本幸治, 奥田太一, 笹川崇男, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 反強磁性体EuIn2As2の角度分解光電子分光 (2020)
  • Author(s): 白石海人, Mario Novak, 吉川智己, 河野嵩, Shiv Kumar, 宮本幸治, 奥田太一, Eike F. Schwier, 島田賢也, Sergey V. Eremeev, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 高分解能ARPESによるBi2Sr2CaCu2O8+δのギャップ不均一性 (2020)
  • Author(s): 杉山貴哉, 岩澤英明, 小澤秀介, 尾田拓之慎, 河野嵩, 木村昭夫, 宮本幸治, 奥田太一, 石田茂之, 吉田良行, 永崎洋
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 二重ジグザグ鎖-七量体形状の格子歪みをもつ電荷密度波物質TaTe2の電子状態 (2020)
  • Author(s): 三石夏樹, 杉田悠介, 秋葉智起, 高橋佑輝, 吉田訓, Saika Bruno Kenichi, 坂野昌人, 湯川龍, 堀場弘司, 組頭広志, 宮本幸治, 奥田太一, 高橋英史, 石渡晋太郎, 求幸年, 石坂香子
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会