最先端スピン光電子分光と摂動下共鳴非弾性散乱による機能性材料電子状態の完全解明

• 研究課題/領域番号: 16H03851
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用物性
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 菅 滋正 大阪大学, 産業科学研究所, 名誉教授 (40107438)
• 研究分担者: 入澤 明典 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (90362756)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2016年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 光電子分光 / 光電子顕微鏡 / 角度分解光電子分光 / 共鳴X線非弾性散乱 / 放射光 / 軟X線 / 磁気円２色性（MCD) / 軟X線非弾性散乱 / 摂動磁場 / 円偏光励起 / ハーフメタル / フェルミ準位 / 発光 / スピン / 外部摂動 / 磁場 / 2次元スピンフィルター / ミクロナノ / スピン光電子 / 摂動下共鳴非弾性散乱 / スピン偏極 / スピン鏡 / 角度分解光電子 / 超高効率 / 外部磁場 / 外部電場 / スピン偏極光電子分光 / 2次元波数同時測定 / 摂動下軟X線非弾性散乱 / 電子エネルギー波数完全解明

研究成果の概要

機能性材料の利用にはその電子状態の完全解明が必須である。本研究では１）スピン分解2次元波数空間顕微光電子分光(SP-2D-MM)、と２）完全にバルク敏感な光分光である軟X線共鳴非弾性散乱での磁性体の磁場摂動下での測定を行った。たとえば低温でトポロジカル近藤絶縁体になる可能性のあるSmB6についての2D-MMに成功した後、走査トンネル分光によって低温で生成する近藤gap中に極低温で出現するtopologicalに保護された表面電子状態を観測した。つぎに半金属Heusler合金のMn2VAlについてMnのmajorityバンドのフェルミ準位近傍のgapと矛盾しないRIXS－MCDの測定に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

角度分解光電子分光は固体電子状態のバンド構造を知る最も有力な手段と考えられている。しかもトポロジカル絶縁体のDirac Coneのスピン偏極が知られて以来膨大なスピン偏極角度分解光電子分光が実験室や放射光施設で莫大な予算を投下して行われている。本研究で開発利用しているSP-2D-MMはそれらより約百万倍以上の測定効率があり、1台でほぼ国内全体の需要を満足する。まだ開発途上の部分もあるにせよこの装置を起爆剤として我が国での研究が世界をリードできると言う意味におい更なる研究投資が必須である。また磁場下での軟X線RIXSは完全に成功し、これは磁性体バルクや超格子などの研究の主流になったと考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Juelich Forschungszentrum(ドイツ)
• [国際共同研究] Juelich Research Center(Germany)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology/Max-Planck-Institute, Halle/Juelich Research Center(Germany)
• [雑誌論文] Half-metallicity of the ferrimagnetic Mn2VAl revealed by resonant inelastic soft x-ray scattering in a magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: R.Y.Umetsu, H.Fujiwara, K.Nagai, Y.Nakatani, M.Kawada, A.Sekiyama, F.Kuroda, H.Fujii, T.Oguchi, Y.Harada, J.Miyawaki, and S.Suga
  • 雑誌名: Phys. Rev.B 巻: 99
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic Structure and Magnetic Properties of the Half-metallic Ferrimagnet Mn2VAl Probed by Soft X-ray Spectroscopies (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nagai, H. Fujiwara, H. Aratani, S. Fujioka, H. Yomosa, Y. Nakatani, T.Kiss, A. Sekiyama, F. Kuroda, H. Fujii, T. Oguchi, A. Tanaka, J.Miyawaki, Y. Harada, Y. Takeda, Y. Saitoh, S. Suga, and R. Y. Umetsu
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 97
  • NAID: 120006731610
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interface Electronic Structure at the Topological Insulator - Ferrimagnetic Insulator Junction (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kubota, K. Murata, J. Miyawaki, K. Ozawa, Kenichi, M. Onbasli, T. Shirasawa, B. Feng, Sh. Yamamoto, Ro-Ya Liu, S. Yamamoto, S. Mahatha, P. Sheverdyaeva, P. Moras, C. Ross, S. Suga, Y. Harada, K. Wang, and I. Matsuda
  • 雑誌名: J. Phys. Condens. Matter 巻: 29 号: 5 ページ: 0550021-6
  • DOI: 10.1088/1361-648x/29/5/055002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Compact Permanent Magnet System for Measuring Magnetic Circular Dichroism in Resonant Inelastic Soft X-ray Scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Miyawakia, Shigemasa Suga, Hidenori Fujiwara, Hideharu Niwa, Hisao Kiuchie, and Yoshihisa Harada
  • 雑誌名: J.Synchrotron Rad. 巻: 24 号: 2 ページ: 449-455
  • DOI: 10.1107/s1600577517000923
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dzyaloshinskii-Moriya interaction in α-Fe2O3 measured by magnetic circular dichroism in resonant inelastic soft x-ray scattering (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Miyawaki, Shigemasa Suga, Hidenori Fujiwara, Masato Urasaki, Hidekazu Ikeno, Hideharu Niwa, Hisao Kiuchi, and Yoshihisa Harada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 21 ページ: 2144201-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.214420
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fermi surface manipulation by external magnetic field demonstrated for a prototypical thin film ferromagnet (2016)
  • 著者名/発表者名: E. Mlynczak, M. Eschbach, S. Borek, J. Minar, J. Braun, I. Aguilera, G. Bihlmayer, S. Doring, M. Gehlmann, P. Gospodaric, S. Suga, L. Plucinski, S. Blugel, H. Ebert, and C. M. Schneider
  • 雑誌名: Phys.Rev.X 巻: 6 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevx.6.041048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized hard X-ray photoemission system with micro-positioning technique for probing ground-sate symmetry of strongly correlated materials (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Fujiwara, S. Naimen, A. Higashiya, Y. Kanai, H. Yomosa, K. Yamagami, T. Kiss, T. Kadono, S. Imada, A. Yamasaki, K. Takase, S. Otsuka, T. Shimizu, S. Shingubara, S. Suga, M. Yabashi, K. Tamasaku, T. Ishikawa and A. Sekiyama
  • 雑誌名: J.Synchrotrn Rad. 巻: 23 号: 3 ページ: 735-742
  • DOI: 10.1107/s1600577516003003
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Momentum microscopy of SmB6 single crystals with detailed surface characterization (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Ellguth, C. Tusche, F. Iga, and S. Suga
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 96 号: 31 ページ: 3284-3306
  • DOI: 10.1080/14786435.2016.1185185
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Momentum Microscopy of micro-nano regions of materials: 2D-simultaneous ARPES with very high efficiency spin analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅滋正
  • 学会等名: 日本物理学会シンポジウム講演
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] Full 2D-ARPES of SmB6 by means of Momentum Microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅滋正
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Prospect of spin-resolved two dimensional momentum microscopy to be used up to a few keV (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Suga
  • 学会等名: International Conference on Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Weak Ferromagnetism in α-Fe2O3 Studied by Magnetic Circular Dichroism in SX-RIXS (2016)
  • 著者名/発表者名: J.Miyawaki
  • 学会等名: International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • 発表場所: Zuerich, Switzerland
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会