2015 Fiscal Year Annual Research Report
スピン分解光電子分光による運動量空間スピンテクスチャーマッピング
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26287071
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
相馬 清吾 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (20431489)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / スピンエレクトロニクス / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、試料のスピン偏極度の運動量依存性マッピングを実現するための装置開発として、光電子分光装置の電子偏向システムの製作、試料マニピュレーターの製作、スピン検出器ターゲットの磁化システムの改良、ターゲットの超寿命化、紫外高輝度光源の調整を行った。具体的には、試料から射出した電子のうち、任意の方角の電子をスピン検出器に入射すさせるために、電子レンズの内の偏向器電極により電子軌道を偏向させたときの電子検出イメージを正しく保つように電子レンジパラメーターを調整し、アナライザーに入射する電子像の中心を2次元の任意の方向にずらす機能を製作した。低エネルギーで運動する光電子の射出イメージの検出精度を上げるため、試料クライオスタットの先端部の部品、およびラディエーションシールドを部材から再検討し、必要な箇所はすべて非磁性材料を用いて作り変えた。スピン検出に用いている磁性薄膜ターゲットを磁化させるための、コイル電源とPC制御システムを構築した。磁性薄膜ターゲットの酸化条件の最適化を行うとともに、ターゲット周辺部の真空排気系の強化を行い、スピン分解光電子分光装置内におけるターゲットの寿命を４ヶ月にまで伸ばすことに成功した。
装置改良と並行して、トポロジカル絶縁体、遷移金属ダイカルコゲナイド、強磁性薄膜のスピン分解ARPESを行い、表面電子状態と量子井戸準位のバンド構造とフェルミ面およびスピン構造の決定を行った。トポロジカル絶縁体においては、2QLのBi2Se3層を含むヘテロ構造超伝導物質Cux(PbSe)5(BI2Se3)6において、ブリルアンゾーンにおいてG点とZ点を含む２次元円筒型のバルク電子面を見出し、トポロジカル超伝導の可能性を示唆した。
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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
本研究計画では物質内の強いスピン軌道相互作用と空間反転対称性の破れに由来する特異なスピン偏極構造の実験的決定を行う。27年度では、光電子分光装置の改良、測定システム、試料マニピュレーターの整備、スピン検出ターゲットの超寿命化など、ほぼ計画どおりに実験設備の作成が進めることができた。装置開発と並行して行なっている高分解能ARPES実験においても、トポロジカル絶縁体や遷移金属ダイカルコゲナイドなどで、電子構造の研究を着実に進められている。本年度はとりわけ、W(110)基板上に成長させFe超薄膜において、とくに興味使い結果が得られた。W(110)表面では、強いスピン軌道相互作用により面内ヘリカル方向にスピン偏極したディラック型電子状態が形成されることが知られている。本研究により、そのディラック型電子状態がFe薄膜の形成後も界面電子状態として存在しており、特に2ML周辺の膜厚においてディラック点に0.34eVのギャップが形成されることを見出した。スピン分解ARPESによりFe3dバンドのスピン偏極方向を調べたところ、この界面ディラック電子状態は、Fe薄膜の結晶磁気異方性が垂直となったときにギャップを形成することが分かった。この結果から、W5dとFe3d軌道の間に有効な交換相互作用が存在し、Fe薄膜の強磁性近接効果によって界面ディラック錐の質量制御の可能性を示唆した。この結果は、表面ディラック物質に強磁性体を接合するという比較的簡便な方法で、強磁性トポロジカル絶縁体と比べて遥かに大きい質量をディラック電子に付与できることを実験的に示したもので、今後のディラック電子系物質の開発に寄与するものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、現在稼働している高分解能スピン分解光電子分光装置に、角度スキャン機能を付与して、バンドの等エネルギー面に沿ってスピン偏極度の運動量依存性を精密に測定することで、スピンテクスチャーマッピングを実現する。そのために、試料を任意の角度にゴニオ回転できる多軸回転試料マニピュレーターの開発と、試料を回転せずともスピン測定する光電子の脱出角度を電子分析アナライザーにおいて任意に操作できる電子軌道偏向法の開発を、引き続き進めていく。さらに、スピンテクステクスチャーマッピングの高度化には、光電子分光測定自体の効率を底上げすることが重要であるので、スピン検出器の高効率化を強力に推し進めていく。また 、本研究で用いる高分解能スピン分解光電子分光装置は実験室ベースの装置であるため、測定の効率化には光源の高強度化も欠かせない。現在、プラズマ放電管内における希ガスプラズマの超高純度化に取り組んでおり、発光エネルギーが極端紫外光領域の放電管を窓材やフィルタを通さずとも使用できるようにすることで、光電子強度の圧倒的な向上を目指す。
装置開発と並行して、トポロジカル絶縁体、トポロジカル結晶絶縁体、重金属吸着表面、トポロジカル絶縁体吸着表面、磁性薄膜、希薄磁性半導体、トポロジカル絶縁体ヘテロ構造などについて、スピン分解光電子分光実験を進めて、各々の物質がもつ対称性に対応したスピンテクスチャーを見出し、特異な物性との関連を明らかにする。空間反転対称性の破れ、時間反転対称性の破れ、表面方位の回転対称性などの観点から、バンドのスピン分裂やスピンテクスチャーがどのような影響を受けているのか、全体の実験結果を俯瞰し 、スピン軌道相互作用の微視的機構についての理解を目指す。同時に、様々なトポロジカル物質の実験結果を相互比較することで、トポロジカル量子相転移を実現する物質や構造の設計指針を獲得する。
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| Causes of Carryover |
光源の高輝度化において、光電子分光装置の排気系を改良する必要が生じたため、真空コンポーネントや必要部材を、次年度以降に調達することとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
光源に入るノイズを低減させるため、装置の排気系において振動と騒音の最大要因である油回転(ロータリー)ポンプの台数を減らす必要がある。そのため光電子分光装置の真空排気系全体の変更を行う。ターボ分子ポンプの下流排気をまとめるための真空タンクの設計・製作、ロータリーポンプに代わるものとして騒音のないドライポンプの調達などを進めていく。
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Research Products
(23 results)
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[Journal Article] Direct Observation of Nonequivalent Fermi-Arc States of Opposite Surfaces in Noncentrosymmetric Weyl Semimetal NbP2016
Author(s)
S. Souma, Z. Wang, H. Kotaka, T. Sato, K. Nakayama, Y. Tanaka, H. Kimizuka, T. Takahashi, K. Yamauchi, T. Oguchi, K. Segawa, and Y. Ando
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 93
Pages: 161112(R)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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