時間・スピン分解光電子分光によるディラック電子系のスピンダイナミクスの研究

• 研究課題/領域番号: 16J03874
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性Ⅰ(実験)
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 角田 一樹 広島大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,300千円 (直接経費: 3,300千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2017年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2016年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 時間分解光電子分光 / スピン分解光電子分光 / ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体 / 超高速現象 / 強磁性トポロジカル絶縁体 / レーザー

研究実績の概要

トポロジカル絶縁体やグラフェンに代表されるディラック電子系は、波数空間上で円錐型バンド分散を形成し、多彩な物性を示すことで知られる。本研究では主に、トポロジカル絶縁体表面に現れるスピン偏極ディラック電子に着目し、スピン分解および時間分解光電子分光によってそのスピン偏極電子状態と超高速キャリアダイナミクスを観測した。
本年度は、昨年度に引き続き、p型トポロジカル絶縁体(Sb0.73Bi0.27)2Te3について時間分解光電子分光を行い、超高速キャリアダイナミクスの温度依存性を詳細に追跡した。その結果、ディラック点の上下で過渡的な反転分布が形成されていることを実験的に見出した。また、この反転分布は室温で10ピコ秒以上持続することが明らかとなり、今後、トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3を用いた有限温度での広帯域レーザー発振の実現が期待される（Physical Review B誌に掲載）。
また、本研究で開発を進めた10ミクロン以下の空間分解能を持つスピン分解光電子分光装置を用いて鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3の顕微分光を行い、表面終端構造に依存した2種類のスピン偏極表面状態の分離観測に成功した。観測された表面状態の一つは酸素暴露の影響をほとんど受けず、最表面に保護された純スピン流の創生が期待される（Physical Review Materials誌に掲載）。
更に、トポロジカル絶縁体に磁性不純物を加えた希薄磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3について、磁気円二色性分光、走査トンネル顕微鏡・分光、時間分解光電子分光を行い、磁性不純物が与える影響を磁性・構造・電子状態・キャリアダイナミクスの観点から明らかにした。その結果、Vが作る不純物状態がバンド間散乱を誘起し、励起電子の緩和時間が大幅に短くなることが明らかとなった（論文査読中）。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Inverted Dirac-electron population in a thermally activated topological insulator (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 号: 8 ページ: 085302-085302
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.085302
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A general route to form topologically-protected surface and bulk Dirac fermions along high-symmetry lines (2019)
  • 著者名/発表者名: Clark O J、Mazzola F、Markovic I、Riley J M、Feng J、Yang B-J、Sumida K、Okuda T、Fujii J、Vobornik I、Kim T K、Okawa K、Sasagawa T、Bahramy M S、King P D C
  • 雑誌名: Electronic Structure 巻: 1 号: 1 ページ: 014002-014002
  • DOI: 10.1088/2516-1075/ab09b7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V0.04(Sb1-xBix)1.96Te3 (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Ye, T. Xu, G. Li, S. Qiao, Y. Takeda, Y. Saitoh, S.-Y. Zhu, M. Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.144413
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced photovoltage on the surface of topological insulator by optical aging (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yoshikawa, Yukiaki Ishida, Kazuki Sumida, Jiahua Chen, Konstantin, A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 112 号: 19 ページ: 192014-192014
  • DOI: 10.1063/1.5008466
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shubnikov-de Haas oscillations in p and n-type topological insulator (BixSb1-x)2Te3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryota Akiyama, Kazuki Sumida, Satoru Ichinokura, Ryosuke Nakanishi1, Akio Kimura2, Konstantin A Kokh, Oleg E Tereshchenko, and Shuji Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 30 号: 26 ページ: 265001-265001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aac59b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prolonged photo-carriers generated in a massive-and-anisotropic Dirac material (2018)
  • 著者名/発表者名: Nurmamat Munisa、Ishida Yukiaki、Yori Ryohei、Sumida Kazuki、Zhu Siyuan、Nakatake Masashi、Ueda Yoshifumi、Taniguchi Masaki、Shin Shik、Akahama Yuichi、Kimura Akio
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-018-27133-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced surface state protection and band gap in the topological insulator PbBi4Te4S3 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW MATERIALS 巻: 2 号: 10 ページ: 104201-104201
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.104201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple topological states in iron-based superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: P.Zhang, Z. Wang, X. Wu, K. Yaji, Y. Ishida, Y. Kohama, G. Dai, Y. Sun, C. Bareille1, K. Kuroda, T. Kondo1, K. Okazaki, K. Kindo1, X. Wang, C. Jin, J. Hu, R. Thomale, K. Sumida, S. Wu, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Ding, G. D. Gu, T. Tamegai, T. Kawakami, M. Sato, S. Shin
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 15 号: 1 ページ: 41-47
  • DOI: 10.1038/s41567-018-0280-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast dynamics of unoccupied surface resonances state of Bi2Te2Se (2018)
  • 著者名/発表者名: Munisa Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, J. Chen, T. Yoshikawa, E. E. Krasovskii, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, Shik Shin and Akio Kimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 97 号: 11 ページ: 115303-115303
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.115303
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental realization of type-II Weyl state in non-centrosymmetric TaIrTe4 (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Haubold, K. Koepernik, D. Efremov, S. Khim, A. Fedorov, Y. Kushnirenko, J. van den Brink, S. Wurmehl, B. B_chner, T. K. Kim, M. Hoesch, K. Sumida, K. Taguchi, T. Yoshikawa, A. Kimura, T. Okuda and S. V. Borisenko
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 7 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.241108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, E. V. Chulkov
  • 雑誌名: NANO Letters 巻: 17 号: 6 ページ: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prolonged duration of nonequilibrated Dirac fermions in neutral topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, S. Zhu, M. Ye, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14308-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct evidence of hidden local spin polarization in a centrosymmetric superconductor LaO0.55F0.45BiS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Shi-Long Wu, Kazuki Sumida, Koji Miyamoto, Kazuaki Taguchi, Tomoki Yoshikawa, Akio Kimura, Yoshifumi Ueda, Masashi Arita, Masanori Nagao, Satoshi Watauchi, Isao Tanaka and Taichi Okuda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02058-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Surface Kondo Effect and Non-Trivial Metallic State of the Kondo Insulator YbB12 (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hagiwara, Y. Ohtsubo, M. Matsunami, S. Ideta, K. Tanaka, H. Miyazaki, J. Rault, P. Le Fevre, F. Bertran, A. Taleb-Ibrahimi, R. Yukawa, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Sumida, T. Okuda, F. Iga, S. Kimura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1
  • DOI: 10.1038/ncomms12690
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Enhanced Surface State Protection and Band Gap in the Topological Insulator PbBi4Te4S3 (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, T. Natsumeda, K. Miyamoto, I. V. Silkin, K. Kuroda, K. Shirai, S. Zhu, K. Taguchi, M. Arita, J. Fujii, A. Varykhalov, O. Rader, V. A. Golyashov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, T. Okuda, and A. Kimura
  • 学会等名: The 23rd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] 光電子分光で捉えるCo基磁性形状記憶合金の電子状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹
  • 学会等名: 第25回みちのく磁性談話会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast carrier dynamics and transient population inversion of the topological insulators (Sb,Bi)2Te3 (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 学会等名: New Trends in Topological Insulators 2018 and 18th International Conference on Narrow Gap Systems
  • 国際学会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3における反転分布現象の観測と制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 石田行章, 吉川智己, 陳家華, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2018年年次大会
• [学会発表] Inverted Dirac-population in a thermally activated topological insulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: International workshop “Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases : From solid state physics to transdisciplinary concepts”
  • 国際学会
• [学会発表] Population inversion in topological insulators (Sb,Bi)2Te3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: The 1st International Workshop on Emergent Condensed Matter Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Present Status of 6eV Laser Based Spin-ARPES system (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, K. Miyamoto, E. Annese, K. Taguchi, K. Shimada, A. Kimura, and T. Okuda
  • 学会等名: The 22nd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体の超高速キャリアダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 石田行章, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 科研費基盤研究会A (26247064) 第6回研究会 -トポロジカル相におけるバルク・エッジ対応の物理とその普遍性：固体物理から冷却原子まで-
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2017-03-22
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体の超高速キャリアダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 石田行章, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2017年・年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Surface Dirac Fermion Dynamics of Non-Magnetic and Magnetic Topological Insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, T. Yoshikawa, J. Chen, M. Nurmamat, K. Kokh, O. Tereshchenko, S. Shin, A. Kimura
  • 学会等名: Symposium on Surface Science & Nanotechnology -25th Anniversary of SSSJ Kansai-
  • 発表場所: Kyoto International Community House
  • 年月日: 2017-01-24
  • 国際学会
• [学会発表] 硬X線光電子分光によるホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)の電子状態の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹、辻川雅人、許皛、上田茂典、陳家華、朱思源、 白井正文、貝沼亮介、木村昭夫
  • 学会等名: 第30会日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 神戸芸術センター
  • 年月日: 2017-01-07
• [学会発表] 鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3のスピン角度分解光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 棗田翼, 白井開渡, 黒田健太, 朱思源, 田口一暁, 宮本幸治, 奥田太一, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 藤井純, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, 木村昭夫
  • 学会等名: スタートアップ研究会基盤研究S「トポロジカル相でのバルク・エッジ対応の多様性と普遍性：固体物理を超えて分野横断へ」
• [学会発表] 放射光分光及び第一原理計算を用いたホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)の電子状態の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 辻川雅人, 許皛, 上田茂典, 陳家華, 朱思源, 吉川智己, 檜垣聡太, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本金属学会2017年秋期講演大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3のキャリア誘起強磁性および超高速キャリアダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 石田行章, 吉川智己, 檜垣聡太, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 竹田幸治, 斎藤祐児, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] ホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)におけるリエントラント・マルテンサイト変態機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 辻川雅人, 許皛, 陳家華, 朱思源, 吉川智己, 檜垣聡太, 上田茂典, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Ultrafast Surface Dirac Fermion Dynamics of Sb2Te3-based Topological Insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: Superstripes2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Temperature-induced prolonged duration of non-equilibrium surface Dirac fermions in topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: 10th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast surface Dirac fermions dynamics of magnetic topological insulator (Sb1-xVx)2Te3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: The 17th International workshop on strong correlations and angle-resolved photoemission spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast surface carrier dynamics of magnetically doped topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: New Trends in Topological Insulators 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Unveiling reentrant martensitic phase transition mechanism in Co2Cr(Ga,Si) Heusler alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, M. Tsujikawa, X. Xu, J. Chen, S. Zhu, T. Yoshikawa, S. Higaki, S. Ueda, Y. Takeda, Y. Saitoh, M. Shirai, R. Kainuma, and A. Kimura
  • 学会等名: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium -New Horizon of Magnetism-
  • 国際学会
• [学会発表] Long duration of non-equilibrium Dirac fermions in topological insulator (Sb,Bi)2Te3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida
  • 学会等名: Physics of bulk-edge correspondence & its universality From solid state physics to cold atoms International workshop
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2016-09-27
  • 国際学会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3の非平衡キャリアダイナミクスの温度依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 石田行章, 吉川智己, 陳家華, M. Nurmamat, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2016年・秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-12
• [学会発表] Dirac fermion dynamics in carrier tuned topological insulators (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, S. Zhu, M. Ye, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 学会等名: 39th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics
  • 発表場所: ETH Zurich, Switzerland
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Dirac fermion dynamics in the topological insulators (Sb1-xBix)2Te3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida
  • 学会等名: EMN Prague meeting
  • 発表場所: Grandior Prague Hotel, Czech Republic
  • 年月日: 2016-06-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 黒リンにおける電子のたたき上げ現象を世界で初めて観測 ～次世代の超高速通信デバイスの素材として期待～
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/sci/news/45800
• [備考] トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42287
• [備考] 新奇超伝導体に特殊なスピン電子構造を発見 －スピントロニクスデバイス開発と超伝導研究に新たな光－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42893
• [備考] トポロジカル絶縁体を強磁性にする新たな方法を発見 －量子異常ホール効果を利用したデバイス開発へ進展－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/39806
• [備考] トポロジカル近藤絶縁体の特異な2次元電子状態を発見
  • URL: http://www.hsrc.hiroshima-u.ac.jp/research/result/37.html