2013 Fiscal Year Annual Research Report
超高分解能３次元スピン分解光電子分光による新機能物質の基盤電子状態解析
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23224010
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 隆 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (00142919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 宇史 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10361065)
相馬 清吾 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (20431489)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | 光電子分光 / スピントロニクス / 新機能物質 / トポロジカル絶縁体 / グラフェン / 高温超伝導 |
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| Research Abstract |
３次元スピン偏極度分析のために、２台の低速電子線回折装置を直行型の配置でアナライザーにドッキングし、装置全体をベーキングして磁性薄膜ターゲット周辺において1x10-10 Torr台の超高真空を達成した。新たに磁性薄膜作成装置を建設し、光電子分光装置へのターゲット搬入機構を通して低速電子線回折装置とドッキングした。光電子分光装置本体に関しては、高輝度キセノン光源とクレーティング、MgF2ミラーからなる光源系を新たに立ち上げ、試料測定槽に紫外光を導入した。更に光軸調整を行い、紫外光を電子分析器のフォーカス点に集光し、そのシグナルを金薄膜などの標準試料により確認した。紫外光源に関しては、測定時の試料表面の劣化を抑えるべく、放電管からの残留ガスを低減するためのヘリウム純化機構の製作調整を引き続き行っており、高温超伝導体試料などでその性能を確認した。また、試料の低温測定のために新たに極低温クライオスタットを１台製作し、7 K以下まで温度が下がることを確認した。このクライオスタットのマニピュレーター機構を制御するプログラムを作成し、試料トランスファー機構との調整により大気中から超高真空槽への試料導入を可能にした。
これらの装置建設と並行して、物性に関わる微細電子構造の解明を目的として、新規スピントロニクス物質について高分解能ARPES実験を行った。トポロジカル超伝導体の候補物質として注目されている In-SnTeについて、バンド反転を示唆する表面二重ディラックバンドの観測に成功した。トポロジカル結晶絶縁体SnTeにおいて、同一物質の異なる表面方位において表面ディラック電子状態を観測した。さらに、様々な３次元トポロジカル絶縁体についての系統的な実験により、表面ディラック六回対称なフェルミ面の歪みの強さが、スピンの面直成分の大きさと普遍的な相関関係にある事を見出した。
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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
本研究計画の中核となる3次元スピン分解光電子分光装置の開発は、当初の計画通り順調に進捗している。低速スピン電子検出器の最重要要素である鉄薄膜ターゲットについては薄膜結晶の成長条件を確定し、高品質ターゲットを高い再現性で作成する事ができる。その品質は光電子分光による電子状態解析の他に、MOKE実験により100G程度の磁場で単一磁区にできることを見出した。さらに、鉄薄膜ターゲット表面について、超寿命化かつ高スピン偏極という二つの要件を満たすために鉄表面に酸素の吸着実験を行い、電子バンド分散の解析から、Fe3dの交換分裂バンドが保たれながらも酸素との結合により電子構造が安定化する様子を観測した。また、他の結晶方位についてもターゲットの評価をする目的でMgO基板上にも鉄薄膜の成長を行い、タングステン基板と同程度の高品質な薄膜結晶を得る事ができた。以上のように、本年度の研究でターゲットについては高品質な結晶の作成法が確立したことで、これまでのモット検出器を凌駕する低速電子スピン検出器の最終調整を成功裡に進めて行く事ができる。
以上の装置建設に加え、トポロジカル絶縁体の研究においても特筆すべき発見があった。一つはIn-SnTeの電子構造の確定であり、本研究で表面ディラックバンドがある事が明らかになったことで、この物質がトポロジカル超伝導体である可能性が大きなものとなった。また、その母物質であるトポロジカル結晶絶縁体SnTeにおいて、(100)面の他に(111)面においても表面ディラックバンドの観測に成功した。これにより、バルクのトポロジカルな電子状態と表面ディラック電子バンドの間にある幾何学的な関係が「真に」証明されたと言う事ができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は本研究の最終年度であり、建設を行ってきた高分解能スピン分解光電子分光装置の最終調整と、これを用いた高精度のスピン分解光電子分光実験を行う。装置の性能向上のために、低速電子スピン分解システム、分光系、アナライザー、極低温クライオスタット、のマッチング調整を行い、スピン分解時における超高分解能測定を実現する。また、高品質磁性薄膜ターゲットを作成して、より高い実効シャーマン関数と長時間の安定測定を実現する。さらに２台の低速電子スピン検出器の同期検出プログラムを作成し、３次元スピンベクトル解析を行う。
最終調整した装置を用いて、トポロジカル物質をはじめとするスピントロニクス関連物質について、スピン依存電子状態の精密観測を行う。具体的には、トポロジカル絶縁体TlM’X2(M;Bi,Sb, X;Se,Te)、Bi2-xSbxTe3-ySey、Bi2Se3、Bi2Te3、トポロジカル結晶絶縁体Pb1-xSnxTe、トポロジカル超伝導体Sn1-xInxTe、CuxBi2Se3のエネルギー分散と準粒子の寿命を精度よく決定する。同時に精密なスピン分解ARPES実験により、フェルミ面上のスピン構造を決定し、表面準粒子の散乱機構とスピン構造の関連性を見出す。働くすべての散乱メカニズムを同定する。Si(111)やトポロジカル絶縁体の清浄試料表面上にBiおよびSb薄膜を作成してスピン分解ARPESを行い、表面およびエッジにおけるラシュバ電子状態のスピン構造を決定する。その際、トポロジカル絶縁体とラシュバ金属の界面で発現する物理現象を解明すべく詳しい実験を行う。また、SrTiO3およびCaF2上にFeSe薄膜を作成し、磁気状態おけるディラック電子状態の観測を行い、その起源を明らかにする。希薄磁性半導体GaMnAsのフェルミ準位近傍の電子状態を明らかにして、論争のある強磁性機構に決着をつける。
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[Journal Article] Angle-resolved photoemission observation of isotropic superconducting gaps in isovalent Ru-substituted Ba(Fe0.75Ru0.25)2As22013
Author(s)
N. Xu, P. Richard, X.-P. Wang, X. Shi, A. van Roekeghem, T. Qian, E. Ieki, K. Nakayama, T. Sato, E. Rienks, S. Thirupathaiah, J. Xing, H.-H. Wen, M. Shi, T. Takahashi, and H. Ding
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 87
Pages: 094513-1-5
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Possible nodal superconducting gap and Lifshitz transition in heavily hole-doped Ba0.1K0.9Fe2As22013
Author(s)
N. Xu, P. Richard, X. Shi, A. van Roekeghem, T. Qian, E. Razzoli, E. Rienks, G.-F. Chen, E. Ieki, K. Nakayama, T. Sato, T. Takahashi, M. Shi, and H. Ding
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 88
Pages: 220508(R)-1-5
DOI
Peer Reviewed
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