トポロジカル絶縁体におけるスピンロックの超低速ミュオンによる検出

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Frontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
• Project/Area Number: 26108713
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: 後藤 貴行 上智大学, 理工学部, 教授 (90215492)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 低速ミュオン / 薄膜 / スピン偏極 / μＳＲ

Outline of Annual Research Achievements

三次元トポロジカル絶縁体では，強いスピン軌道相互作用による，ｓ，ｐ軌道のバンド反転によって，試料表面にディラック電子が現れる。この表面ディラック電子は，並進運動量と垂直方向に完全スピン偏極していると言われている。このスピンロック現象を超低速ミュオンで検出することが本申請の主題である。スピンロックの実験的検証の困難は，クラマース縮退した双方向のスピン流によって局所内部磁場がキャンセルしていることによる。本申請ではこれを解決する二つの手法を提案し，さらに新しいトポロジカル絶縁体への適用も試みる。
外部磁場B_unlock印加により，クラマーススピン対の時間反転対称性を破る。これにより，スピン対はスピンロックを解消する。試料表面においては，空間反転対称性が破れているため，二つのスピンは試料表面に対して非対称に傾き，面直方向に有限な局所超微細場を作る。この，印加磁場に対して垂直方向へ局所場が発生する，という非自明な現象を，ミュオン回転・緩和によって検出する。
昨年度、Bi1.5Sb0.5TeSe2薄膜試料を作製し、PSIの低速μSR施設において磁場印加実験を行った。その結果、１）横磁場に対するアシンメトリー振動振幅に、異常な入射ミュオンスピン方向依存性が見られた。２）緩和の初期部分（τ＜0.5μs）に、極めて速い緩和が見られ、表面伝導層由来のコリンハ機構による可能性が指摘された。一方、これらを確認するための追実験（今年度、実施予定）の必要性も明らかになった。
さらにμSRを活用した、本領域関連のテーマとして、量子スピン系の研究を行った成果を国際会議で発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度研究計画における目標であった、低速μＳＲによる測定は予定通り進行し、次年度の追実験ビームタイムも確保し、また、比較実験のための、バルク試料の準備やバルクμＳＲのビームタイム確保も準備済であるので、順調な進展があるとみなして良いと考える。

Strategy for Future Research Activity

まず、前年度のＰＳＩ実験の結果を、追実験によって確認することが最も重要な方策である。次に、バルクμＳＲによってバルクと表面の違いを確認することが二番目に重要な点である。以上二点は、試料・ビームタイム共に準備が整い、実施を待つのみである。
さらに、二番目の研究目的であった、不純物効果を調べるための試料作成と、ＮＭＲを用いたスピンロック検出にチャレンジして行きたいと考えている。前者は既に試料を準備開始している。
また、μSRを活用した本領域関連のテーマとして量子スピン磁性体の研究（強磁場プラトーのμSRによる直接観察）も並行して行いたいと考える。

Research Products

• [Journal Article] muSR study on quantum spin system NH4CuCl3 (2014)
  • Author(s): K Matsui, A Oosawa, K Yoshizawa, T Goto, I Watanabe, T Suzuki, M Fujisawa, H Tanaka, P K Biswas and A Amato
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 551 Pages: 012007(5pages)
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/551/1/012007
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] NMR study on kagome-lattice antiferromagnet Cs2Mn3LiF12 (2014)
  • Author(s): S Moriya, Y Usui, H Tanaka, K Matsui, Y Mori, H Kuroe, T Sasaki and T Goto
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 568 Pages: 042008(5pages)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/568/4/042008
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Disappearance of Gapped Mott Insulating Phase Neighboring Bose Glass Phase in Tl1-xKxCuCl3 Detected by Longitudinal-Field Muon Spin Relaxation (2014)
  • Author(s): Takao Suzuki, Hanjie Guo, Ikuto Kawasaki, Isao Watanabe, Takayuki Goto, Kazuya Katayama, and Hidekazu Tanaka
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 83 Pages: 084703(5pages)
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/502/1/012041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ground state of bond-disordered quasi-one-dimensional spin system (CH3)2CHNH3Cu(ClxBr1-x)3 with x = 0, 0.25 and 0.3 (2014)
  • Author(s): Takayuki GOTO , Takao SUZUKI, Isao WATANABE, Hirotaka MANAKA, Hubertus LUETKENS and Alex AMATO
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 2 Pages: 010207(5pages)
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.2.010207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gradual evolution in spin dynamics of TlCu1-xMgxCl3 probed by muon-spin-relaxation (muSR) technique (2014)
  • Author(s): Takao Suzuki, Isao Watanabe, Fumiko Yamada, Yasuyuki Ishii, Kazuki Ohishi, Takayuki Goto and Hidekazu Tanaka
  • Journal Title: J. Phys.: Conf. Ser. Volume: 502 Pages: 012041(4pages)
  • DOI: doi:10.1088/1742-6596/502/1/012041
  • Peer Reviewed
• [Presentation] μSR study on quantum spin system NH4CUCl3 (2014)
  • Author(s): K Matsui, A Oosawa, K Yoshizawa, T Goto, I Watanabe, T Suzuki, M Fujisawa, H Tanaka, P K Biswas and A Amato
  • Organizer: The 13th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance (μSR2014)
  • Place of Presentation: Grindelwald, Switzerland
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06