2016 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 |
任意の放出角の光電子を測定するために、電子レンズ内において電子軌道を偏向させ、結像した電子像を2次元方向にずらすシステムを製作した。電子の偏向によるエネルギー分解能の低下や電子像の歪みを最大限に防ぐため、標準角度校正用の電子源を製作してテストを行い、レンズパラメーターを調整した。改良した電子分析器の制御プログラムの制作を行い、試料をゴニオ回転せずとも２次元フェルミマッピングの測定を可能とした。アナライザーのスピンホールに任意の角度の電子を入射させるには、偏向方向の自由度を追加する必要あるため、そのための偏向電極の制作は今後の課題とした。電子レンズの改良の際にモット検出器を分解したため、改良後の装置の立ち上げ時に電子移送レンズの調整を行い、高速電子ビームのアライメントを行った。
装置改良と並行して、様々な高機能位物質についてスピン分解ARPESを行い、電子状態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。磁性半導体(Ga,Mn)Asの高ドープ試料についてin-situ条件で実験を行い、そのフェルミ準位がAsホールバンド内にあることを世界で初めて見出した。これより、強磁性機構としてp-d Zenerモデルが妥当であると結論した。トポロジカル超伝導体の候補物質TlxBi2Te3では、閉じたホール型のフェルミ面の絶対位置を決定し、さらに表面状態が明確にフェルミ面を形成していることから、この物質が２次元トポロジカル超伝導の新たなプラットフォームとなる可能性を指摘した。さたに新たなトポロジカル物質相として、ワイル半金属NbPの表面フェルミアーク電子状態を観測し、これがワイル半金属であることを確立した。もう一つの新たなトポロジカル物質相として、結晶内に映進対称性をもつHfSiSについても実験を行った結果線ノード電子状態を観測し、これがトポロジカル半金属であることを確立した。
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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
28年度では、電子レンズの改良、フェルミ面マッピング機能の製作、モット検出器の調整、測定プログラムの作成など、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希薄磁性半導体などで、電子構造の研究を着実に進められている。
希薄磁性半導体(Ga,Mn)Asの強磁性機構については、全く異なる電子構造に基づく２つのモデルが提唱されており、２０年ものあいだ論争が続いていた。その主な原因して、薄膜試料の表面に大きな問題があったことから、MBE法により作製した(Ga,Mn)As薄膜をin-situで光電子分光装置に搬送して高分解能ARPESを行い、その結果、フェルミ準位が価電子帯の中に位置することを見出した。さらに興味深いことに、Asホールバンドの光電子強度の波数依存性が試料の磁化方向により反転すること、すなわち磁気線二色性があることを見出した。この結果は、Asバンドの交換分裂により強磁性が安定化するp-d Zenerモデルを支持している。
トポロジカル絶縁体の存在が実証されて以降10年近くたつが、最近、励起スペクトルにギャップのない半金属においてもトポロジカル物質相の存在が予測され、大きく注目されている。本研究では、結晶に反転中心をもたないワイル半金属NbPの電子バンド構造を決定し、その表面電子構造が終端面の種類(Nb/P)により大きく変化することを見出した。その結果、それぞれの終端面においてフェルミアークを同定し、この物質がワイル半金属であると結論し]。また、線ノード半金属の候補物質であるHfSiSにおいては、線ノード電子状態をARPESにより確立し、さらに興味深いことに理論や計算では予測されていない新たな１次元ディラック線ノード電子状態を観測した。
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| Strategy for Future Research Activity |
装置のスピン検出効率を向上させるために、前年度に高輝度6eV光源を導入した。従来の放電管光源に比べ1000倍以上の高強度であるが、光電子の運動エネルギーが1.5eVと大変低くなるため、正確な角度情報を得るために、アナライザーの電子レンズと電子偏光器の調整を行う。そのための、電子放出源の製作、およびパラメータ自動調整のためのプログラム制作を行う。また、超伝導試料のスピンテクスチャーの測定を予定しており、そのために現行のクライオスタットを極低温測定用に改造する。ラディエーションシールドの再設計、熱コンダクタンスの最適化、試料周りの熱容量の低減などを行う。また、スピン検出効率の向上のため、小型モット検出器電子の加速電圧向上などの改良を行う。
装置開発と並行して、様々なスピントロニクス物質についてスピン分解光電子分光実験を行う。トポロジカル半金属物質について、その表面状態のトポロジカルな起源について調べるため、HfSiSやその関連物質について表面状態のフェルミ面やバンド構造を決定し、そのスピン偏極度を測定する。また、トポロジカル半金属は量子サイズ効果や時間反転対称性の破れなどで、異なる量子物質相に転移するという点に着目し、物質の対称性制御を行うためにCd3As2薄膜をMBE法により作製し、その電子状態の膜厚依存性の決定や、磁性元素ドープなどを行う。スピン軌道相互作用と物質のもつ様々な秩序の組み合わせによって発現する特異なスピンテクスチャーと新物性の探索を行うため、重金属元素であるBi薄膜を、高温超伝導体Bi2212やCDW物質TaS2を基板として成長させ、その電子状態を決定する。Bi薄膜のフェルミ準位極近傍の電子状態について、超伝導転移やCDW転移をはさんだ精密な温度変化を測定し、基板のもつ秩序がBi薄膜にどのような影響を与えるか詳しく検討する。
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| Causes of Carryover |
装置の真空排気システムの予定外の変更が生じたため、次年度以降に必要物品を調達することとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
仕様変更した真空コンポーネントの調達費用の一部に充てる。
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Research Products
(27 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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