Time-domain measurement of photoelemission process using phase-resolved photoelectron spectroscopy

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K17671
• 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)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2026-03-31
• Keywords: 光電効果 / 超高速 / スピン軌道結合 / 光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

アト秒に到達した極短パルスレーザー技術により，光電子放出過程における電子分極，電子散乱や電子波束形成など超高速量子現象が実験的に追跡できるようになってきた。しかし，アト秒の極短パルス性は，必然的に広いスペクトル幅を持つことを意味しており，電子バンド構造まで分解しながらアト秒スケールの光電子ダイナミクスを追跡することは不可能だとされてきた。本研究の挑戦は，極短パルスを利用する従来の発想に捉われない時間領域への新たなアプローチによって，この常識を打ち破ることである。これを実現する時間領域へアプローチする新たな手法として「位相分解光電子分光」を完成させる。この目的達成のために本年度では，広島大学放射光科学研究所で開発された紫外光 6-eV レーザー・スピン角度分解光電子分光 (Spin-ARPES) の装置改良およびこの装置を利用した位相分解光電子分光測定を行った。具体的には，① 本測定で利用する光学系の構築するため大型の光学テーブルを購入し導入した。②そのため，精密に空調管理されたレーザーブースの拡大を行い，本測定の環境を整備した。③位相分解光電子分光で必要な偏光制御からスピン分解測定まで膨大なデータ点を得るために，自動制御ソフトウェアを整備した。これら環境整備の結果，Bi2Te3 および Bi2Se3 などトポロジカル絶縁体のスピン偏極表面状態において位相分解光電子分光を実施できるようになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通り，光学テーブルの導入を行って環境を整備した結果，幾つかの物質で位相分解光電子分光の実施まで行えるようになった。

Strategy for Future Research Activity

本年度，大型の光学テーブルの導入など測定環境を整備した結果，幾つかの物質で位相分解光電子分光を実施できるようになった。次年度では，Bi2Te3 および Bi2Se3 におけるスピン偏極表面状態に注目して，放出されたスピン偏極光電子の偏光依存性を詳細調べ，光電子位相を精密に決定する。この位相の波数依存性から，光電子放出過程の散乱ダイナミクスの時間スケールの獲得を狙う。

Causes of Carryover

本年度は，当初の予定であれば1/2 波長板を使った直線偏光依存性に加えて，1/4 波長板を購入して利用して円偏光依存性も実施する予定であったが，直線偏光依存性の実験に想定したよりも長く時間を費やしてしまったので，円偏光依存性まで実験ができなかった。したがって，次年度に当初から予定していた物質群の詳細な測定に加えて，円偏光依存性を行えるよう測定環境の整備するため，次年度に1/4 波長板を購入することが必要となった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Brazilian Center for Research in Physics(ブラジル)
  • Country Name: BRAZIL
  • Counterpart Institution: Brazilian Center for Research in Physics
• [Int'l Joint Research] コロラド大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: コロラド大学
• [Int'l Joint Research] Wurtburg 大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Wurtburg 大学
• [Journal Article] Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy with micrometer spatial resolution and detection of three-dimensional spin vector (2024)
  • Author(s): Iwata Takuma、Kousa T.、Nishioka Y.、Ohwada K.、Sumida K.、Annese E.、Kakoki M.、Kuroda Kenta、Iwasawa H.、Arita M.、Kumar S.、Kimura A.、Miyamoto K.、Okuda T.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Pages: 127
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47719-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ディラック線ノード超伝導体HfP2-xSexにおけるリン正方格子の役割 (2024)
  • Author(s): 西岡幸美、石坂仁志、Jadupati Nag、岩田拓万、Munisa Nurmamat、黒田健太、井野明洋、Shiv Kumar、島田賢也、山神光平、高木康、保井晃、鬼頭聖、長谷泉、石田茂之、藤久裕司、後藤義人、吉田良行、伊豫彰、荻野拓、永崎洋、川島健司、木村昭夫
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会
• [Presentation] スピン分解光電子分光の新たな可能性の探索 (2024)
  • Author(s): 黒田健太
  • Organizer: 分子研物質分子科学研究領域研究会
  • Invited
• [Presentation] マイクロ集光レーザーSARPESによる 反強磁性体NdBiのスピンテクスチャの直接観測 (2024)
  • Author(s): 山本 理香子, 西岡 幸美, 出浦 主雅, 岩田 拓万 高佐 永遠, 本山 建, 有田 将司, 出田 真一郎, 島田 賢也 木村 昭夫, 宮本 幸治, 奥田 太一 ，鬼丸 孝博, 黒田 健太
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会
• [Presentation] ディラック線ノード物質Zr(P0.75Si0.25)Seの角度分解光電子分光 (2024)
  • Author(s): 出浦主雅、西岡幸美、黒田健太、井野明洋、宮井雄大、出田真一郎、島田賢也、鬼頭聖、長谷泉、石田茂之、藤久裕司、後藤義人、吉田良行、伊豫彰、荻野拓、永崎洋、川島健司、木村昭夫
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 軟X線角度分解光電子分光を用いた反強磁性体PdCrO2における電子状態の研究 (2024)
  • Author(s): 岩田拓万、白石海人、中西楓恋、森田雄晴、西岡幸美、高佐永遠、大和田清貴、Munisa Nurmamat、山神光平、木村昭夫、宮本幸治、奥田太一、高津浩、黒田健太
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 放射光およびレーザー角度分解光電子分光法を用いたセリウムモノプニクタイドの電子構造観察 (2024)
  • Author(s): 黒田健太
  • Organizer: 富山県立大学・JPS 北陸支部特別講演会
  • Invited
• [Presentation] Direct observation of spin-split electronic structures in antiferromagnet NdBi by micro-focused laser SARPES (2024)
  • Author(s): Rikako Yamamoto, Y. Nishioka, K. Ideura, T. Iwata, T. Kosa, T. Motoyama, M. Arita, S. Ideta, K. Shimada, A. Akio, K. Miyamoto, T. Okuda ，T. Onimaru, K. Kuroda
  • Organizer: The DPG-Frhjahrstagungen 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規励起子絶縁体候補物質GdGaIへのK蒸着で次元性が変化する電子構造の角度分解光電子分光観察 (2024)
  • Author(s): 合戸洸平, 大熊隆太郎, 藤澤唯太, 友田七海, 岩田拓万, 有田将司, Yuyang Dong, 川口海周, 森亮, 黒田健太, 岡田佳憲, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Electronic structure of Van der Waals ferromagnet Fe5-xGeTe2 revealed by ARPES (2024)
  • Author(s): S. Huh, K. Kawaguchi, K. Kuroda, B, M. Haze, Y. Hasegawa, B. R. M. Smith, Y. Yamagami, C. H. Hsu, E, H. J. Shin, Y. J. Choi, H. Makoto, D. Lu, Y. Dong, K. Aido, A. Harasawa, Y. Okada, T. Kondo
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Emergence of multipole polaron and electronic anisotropy in the devil's staircase of CeSb (2023)
  • Author(s): Kenta Kuroda
  • Organizer: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emergence of multipole polaron and electronic anisotropy in the devil's staircase of CeSb (2023)
  • Author(s): Kenta Kuroda
  • Organizer: CORPES2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 軟 X 線 ARPES と３次元光電子強度解析を用いた RAlSi (R : Ce, Nd) におけるワイル分散の決定 (2023)
  • Author(s): 森田雄晴 , 中西楓恋, 岩田拓万, 大和田清貴, 西岡幸美, 高佐永遠, M. Nurmamat, 山神光平, 山田武見, 木村昭夫, 谷田博司, 黒田健太
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
• [Presentation] 軟X線ARPESを用いたフルホイスラー合金Co2FeSiの 3次元バンド構造の観測 (2023)
  • Author(s): 中西楓恋, 西岡幸美, 岩田拓万, 森田雄晴, 黒田健太,山神光平, ヌルママトムニサ, 牛尾奨吾, 河野嵩,梅津理恵, 木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会・秋季大会
• [Presentation] スピン角度分解光電子分光実験によるFe4N薄膜の電子状態の解明 (2023)
  • Author(s): 中西楓恋, 大和田清貴, 黒田健太, 角田一樹, 宮本幸治, 奥田太一, 佐藤仁 , 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥, 木村昭夫
  • Organizer: 第４７回日本磁気学会学術講演
• [Presentation] 遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TiS2における角度分解光電子分光スペクトルの励起光エネルギー・偏光依存性 (2023)
  • Author(s): 田中宏明, 岡崎尚太, 福島優斗, 川口海周, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 小森文夫, 有田将司, 森亮, 黒田健太, 笹川崇男, 近藤猛
  • Organizer: 日本物理学会 78 回年次大会
• [Presentation] MnPc吸着によるBi2Se3とTlBiSe2の電子状態変化 (2023)
  • Author(s): 板谷亮太, 樋口裕紀, 西岡知希, 冨田実都, 佐藤仁, 黒田健太, 坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会 78 回年次大会
• [Presentation] トポロジカル絶縁体 Bi2Se3 の 3 次元バルクバンド構造の決定 (2023)
  • Author(s): 樋口裕紀, 板谷亮太, 冨田実都, 齋藤悠宇, 鈴木雄大, 黒田健太, 佐藤仁, 佐藤和則, 坂本一之
  • Organizer: 日本物理学会 78 回年次大会
• [Presentation] ディラック線ノード超伝導体HfP2-xSexの放射光角度分解光電子分光 (2023)
  • Author(s): 西岡幸美、石坂仁志、Jadupati Nag、岩田拓万、Munisa Nurmamat、黒田健太、井野明洋、Shiv Kumar、島田賢也、山神光平、高木康多、保井晃、鬼頭聖、長谷泉、石田茂之、岡邦彦、藤久裕司、後藤義人、吉田良行、伊豫彰、荻野拓、永崎洋、川島健司、木村昭夫
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会(2023)
• [Presentation] 軟X線角度分解光電子分光とSHG顕微鏡を用いたデラフォサイト型酸化物の電子状態の研究 (2023)
  • Author(s): 岩田拓万、白石海人、中西楓恋、森田雄晴、西岡幸美、高佐永遠、大和田清貴、Munisa Nurmamat、山神光平、宮本幸治、奥田太一、高津浩、黒田健太
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会(2023年)
• [Presentation] レーザーで探る電子系アシンメトリ--顕微スピン分解ARPESと非線形光学顕微鏡の開発- (2023)
  • Author(s): 岩田拓万、高佐永遠、西岡幸美、岩澤英明、有田将司、木村昭夫、宮本幸治、奥田太一、黒田健太
  • Organizer: 「アシンメトリ量子」キックオフミーティング
• [Presentation] Electronic correlations in rare-earth monopnictides：CeSb vs CeAs (2023)
  • Author(s): Kenta Kuroda
  • Organizer: QLC2023 meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 軟X線放射光ARPESを用いたCo2FeSiの3次元バンド構造の観測 (2023)
  • Author(s): 中西楓恋、西岡幸美、岩田拓万、森田雄晴、黒田健太、ヌルママトムニサ、牛尾奨吾、河野嵩、木村昭夫、角田一樹、山神光平、梅津理恵
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] レーザー顕微SARPESと非線形光学顕微鏡の開発 (2023)
  • Author(s): 岩田拓万、高佐永遠、西岡幸美、大和田清貴、角田一樹、岩澤英明、有田将司、木村昭夫、宮本幸治、奥田太一、黒田健太
  • Organizer: 表面界面スペクトロスコピー