レーザースピン分解ＡＲＰＥＳによる薄膜スピン分裂バンド制御

• 研究課題/領域番号: 18J21892
• 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: 東京大学
• 研究代表者: 野口 亮 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 高次トポロジカル絶縁体 / 角度分解光電子分光 / ラシュバ効果 / スピン偏極 / ラシュバ分裂 / トポロジカル絶縁体 / 新奇トポロジカル相 / 弱いトポロジカル絶縁体 / 顕微角度分解光電子分光 / 金属量子井戸状態 / スピン角度分解光電子分光

研究実績の概要

2020年度は擬一次元ビスマスハライドの中でも特有の積層構造を持つビスマス臭化物（Bi4Br4）の電子状態を精密に調べた。Bi4Br4は結晶のヒンジに一次元のヒンジ状態を有する高次トポロジカル絶縁体と理論的に予想されていた。我々は角度分解光電子分光（ARPES）・スピン分解ARPESによってヒンジ状態に対応する一次元電子状態の観測を行った。さらに実験で観測されるスピン偏極度が従来の弱いトポロジカル絶縁体であるβ-Bi4I4の場合とは異なった特徴を示すことを見出し、Bi4Br4が三次元結晶として初めて高次トポロジカル絶縁体となっている証拠を提示した。本結果は積層構造によって物質のトポロジーとスピン流を制御するという、新しいスピン偏極電子制御の方向性を実証していると言える。また、量子井戸薄膜を用いたラシュバ効果制御においても、量子井戸系一般に適用可能なラシュバ効果のスケーリング則を見出すという成果を得た。典型的な量子井戸薄膜であるAg/Au(111)では、基板による空間反転対称性の破れにより量子井戸状態がラシュバ効果を示す。我々はスピン分解ARPESによってラシュバ効果の膜厚と量子準位依存性を精密に測定し、理論計算と組み合わせることでラシュバ効果のメカニズムを考察した。その結果、スピン分裂の大きさは界面の電子密度と各原子のスピン軌道相互作用係数であらわされるというスケーリング則を見出した。本結果は基板と薄膜でスピン軌道相互作用の大きさが違う物質を使うと効果的にスピン分裂を引き起こせるということを意味しており、今後新たなラシュバ物質を探す際の重要な指針となると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] テキサス大学オースティン校/SLAC国立加速器研究所(米国)
• [国際共同研究] Elettra Sincrotrone Trieste(イタリア)
• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究] テキサス大学オースティン校/スタンフォード放射光(米国)
• [国際共同研究] エレットラ放射光(イタリア)
• [国際共同研究] Elettra-Sincrotrone Trieste(イタリア)
• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [雑誌論文] Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains (2021)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Ryo、Kobayashi Masaru、J. Zhanzhi、Kuroda Ken
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 20 号: 4 ページ: 473-479
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00871-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation and control of the weak topological insulator state in ZrTe5 (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Peng、Noguchi Ryo、Kuroda Kenta、Lin Chun、Kawaguchi Kaishu、Yaji Koichiro、Harasawa Ayumi、Lippmaa Mikk、Nie Simin、Weng Hongming、Kandyba V.、Giampietri A.、Barinov A.、Li Qiang、Gu G. D.、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 406-406
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20564-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional electronic structure in ferromagnetic Fe3Sn2 with breathing kagome bilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiroaki、Fujisawa Yuita、Kuroda Kenta、Noguchi Ryo、Sakuragi Shunsuke、Bareille Cedric、Smith Barnaby、Cacho Cephise、Jung Sung Won、Muro Takayuki、Okada Yoshinori、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.161114
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Devil's staircase transition of the electronic structures in CeSb (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Kenta、Arai Y.、Rezaei N.、Kunisada S.、Sakuragi S.、Alaei M.、Kinoshita Y.、Bareille C.、Noguchi R.、Nakayama M.、Akebi S.、Sakano M.、Kawaguchi K.、Arita M.、Ideta S.、Tanaka K.、Kitazawa H.、Okazaki K.、Tokunaga M.、Haga Y.、Shin S.、Suzuki H. S.、Arita R.、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 2888-2888
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16707-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of small Fermi pockets protected by clean CuO2 sheets of a high-Tc superconductor (2020)
  • 著者名/発表者名: Kunisada So、Isono Shunsuke、Kohama Yoshimitsu、Sakai Shiro、Bareille Ce'dric、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Kurokawa Kifu、Kuroda Kenta、Ishida Yukiaki、Adachi Shintaro、Sekine Ryotaro、Kim Timur K.、Cacho Cephise、Shin Shik、Tohyama Takami、Tokiwa Kazuyasu、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Science 巻: 369 号: 6505 ページ: 833-838
  • DOI: 10.1126/science.aay7311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly anisotropic high-temperature Fermi surface of the Kondo semimetal CeNiSn revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Bareille Cedric、Nam T.-S.、Takabatake Toshiro、Kuroda Kenta、Yajima Takeshi、Nakayama Mitsuhiro、Kunisada So、Akebi Shuntaro、Sakano Masato、Sakuragi Shunsuke、Noguchi Ryo、Min Byung Il、Shin Shik、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.045133
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Noguchi, T. Takahashi, K. Kuroda, M. Ochi, T. Shirasawa, M. Sakano, C. Bareille, M. Nakayama, M. D. Watson, K. Yaji, A. Harasawa, H. Iwasawa, P. Dudin, T. K. Kim, M. Hoesch, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, S. Shin, R. Arita, T. Sasagawa & Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Nature 巻: 566 号: 7745 ページ: 518-522
  • DOI: 10.1038/s41586-019-0927-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Orbital-selective metal-insulator transition lifting the t2g band hybridization in the Hund metal Sr3(Ru1-xMnx)2O7 (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakayama M.、Kondo Takeshi、Kuroda K.、Bareille C.、Watson M. D.、Kunisada S.、Noguchi R.、Kim T. K.、Hoesch M.、Yoshida Y.、Shin S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.161102
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 黒リンの角度分解光電子分光スペクトルにおける量子干渉効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野口亮、黒田健太、高橋敬成、新井陽介、田中宏明、Zhang Peng、國定聡、合戸洸平、室隆桂之、出田真一郎、田中清尚、笹川崇男、近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2021年春季大会
• [学会発表] ARPESとマイクロ波インピーダンス顕微鏡で解明する 擬一次元ビスマスハライドの積層依存トポロジカル相 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野口亮、小林賢、黒田健太、高橋敬成、Z. Jiang、Z. Xu、D. Lee、平山元昭、 越智正之、白澤徹郎、P. Zhang、C. Lin、C. Bareille、櫻木俊輔、田中宏明、國定聡、黒川輝風、矢治光一郎、原沢あゆみ、V. Kandyba、A. Giampietri、A. Barinov、T. Kim、C. Cacho、橋本信、D. Lu、辛埴、有田亮太郎、K. Lai、笹川崇男、近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] マイクロ波インピーダンス顕微鏡およびARPESで調べる擬一次元Bi4Br4の高次トポロジカルエッジ状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野口亮、小林賢、黒田健太、高橋敬成、Z. Jiang、Z. Xu、D. Lee、平山元昭、越智正之、白澤徹郎、P. Zhang、C. Lin、C. Bareille、櫻木俊輔、國定聡、黒川輝風、矢治光一郎、原沢あゆみ、V. Kandyba、A. Giampietri、A. Barinov、T. Kim、C. Cacho、辛埴、有田亮太郎、K. Lai、笹川崇男、近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年春季大会
• [学会発表] レーザースピン分解ARPESで調べるAg/Au(111)の量子井戸閉じ込めによるスピン分裂バンド制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野口亮、黒田健太、河村光晶、矢治光一郎、原沢あゆみ、飯盛拓嗣、小森文夫、辛埴、尾崎泰助、近藤猛
  • 学会等名: 2019年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Nano-ARPESで直接観測する弱いトポロジカル絶縁体β-Bi4I4の側面ディラック電子状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野口亮，高橋敬成，黒田健太，越智正之，白澤徹郎，C. Bareille，坂野昌人，中山充大，M. Watson ，矢治光一郎，原沢あゆみ，岩澤英明，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch，V. Kandyba，A. Giampietri，A. Barinov，辛埴，有田亮太郎，笹川崇男，近藤猛
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 高分解能ARPESで調べる様々なトポロジカル相を示す擬一次元ビスマスハライドの電子構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 野口亮, 高橋敬成, 黒田健太, C. Bareille, 櫻木俊輔, 國定聡, 黒川輝風, T. Kim, C. Cacho, 辛埴, 笹川崇男, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2019年春季大会
• [学会発表] Weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide observed by surface-selective nano-ARPES (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Noguchi，T. Takahashi，K. Kuroda，M. Ochi，T. Shirasawa，C. Bareille，M. Sakano M. Nakayama，M. Watson，K. Yaji，A. Harasawa，H. Iwasawa，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch, V. Kandyba，A. Giampietri，A. Barinov, S. Shin，R. Arita，T. Sasagawa，T. Kondo
  • 学会等名: APS March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] レーザーSARPESによる銀薄膜の量子井戸準位に依存したスピン分裂の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野口亮，黒田健太，矢治光一郎，原沢あゆみ，飯盛拓嗣，小森文夫，辛埴，近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 擬一次元物質β-Bi4I4における弱いトポロジカル絶縁体相の発見とそのトポロジカル相制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野口亮，高橋敬成，黒田健太，越智正之，白澤徹郎，C. Bareille，坂野昌人， 中山充大，M. Watson，矢治光一郎，原沢あゆみ，岩澤英明，P. Dudin，T. Kim， M. Hoesch，辛埴，有田亮太郎，笹川崇男，近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] ナノ顕微光電子分光で調べる弱いトポロジカル絶縁体β-Bi4I4の側面ディラック電子状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野口 亮、高橋 敬成、黒田 健太、越智 正之、白澤 徹郎、Cedric Bareille、坂野 昌人、中山 充大、矢治 光一郎、原沢 あゆみ、岩澤 英明、辛 埴、有田 亮太郎、笹川 崇男、近藤 猛
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Discovery of switchable weak topological insulator state in quasi-one-dimensional bismuth iodide (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Noguchi，T. Takahashi，K. Kuroda，M. Ochi，T. Shirasawa，C. Bareille，M. Sakano，M. Nakayama，K. Yaji，A. Harasawa，H. Iwasawa，P. Dudin，T. Kim，M. Hoesch，S. Shin，R. Arita，T. Sasagawa，T. Kondo
  • 学会等名: International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure 14
  • 国際学会
• [備考] 原子層の積み木細工によるトポロジカル物質設計 ～ 世界初となる高次トポロジカル絶縁体の実証 ～
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=12098
• [備考] 超高速・超指向性・完全無散逸の３拍子がそろった理想スピン流の創発と制御
  • URL: http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=7464
• [備考] Weak but strong
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0508_00038.html