時間・スピン・角度分解光電子分光で開拓する光スピントロニクスの横断的研究

• 研究課題/領域番号: 19H02683
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分32020:機能物性化学関連
• 研究機関: 広島大学 (2020-2021); 東京大学 (2019)
• 研究代表者: 黒田 健太 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (00774001)
• 研究分担者: 矢治 光一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, グループリーダー (50447447)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
• キーワード: ポンププローブ法 / 高次高調波 / 超高速 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / レーザー / 時間分解光電子分光 / スピントロニクス / ポンププローブ / 時間分解 / スピン角度分解光電子分光 / 光学遷移

研究開始時の研究の概要

超短パルスレーザーによるポンプ・プローブ法とスピン角度分解光電子分光 (SARPES) を融合させた時間分解 SARPES により、光励起直後のスピン分裂バンドを直接的に観察することで、トポロジカル物質における相対論粒子がトリガーとなる様々な光学応答を見出す。この研究を通して、トポロジカル物質に本質的に備わっている光スピン機能を実験的に引き出す。時間分解 SARPES で得られる光励起電子構造の分光学的視点を電流・スピン流などマクロな輸送特性へ結びつけていき、これまでなかった光スピントロニクスの横断的な研究を展開させる。

研究成果の概要

高繰り返し 1MHz の 10.7eV のパルス深紫外光を取り入れた時間・スピン・波数分解光電子分光 (tr-SARPES) 装置を完成させた。これにより，高繰り返しのポンプ・プローブ tr-SARPES が可能となり，広い波数空間におけるフェルミ準位より高エネルギーの非占有電子状態における詳細なバンド観察に加えて，スピン電子状態および光誘起直後の電子・スピンダイナミクスの観察が可能となった。この装置を用いて，トポロジカル絶縁体 Bi2Se3 や Sb2Te3 におけるディラック型の分散関係を有する非占有のトポロジカル表面状態に注目して，励起電子のスピン偏極バンドマップに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年の光スピントロニクス発展に伴って，電子・スピンを分離したダイナミクス研究が盛んに行われている。しかしながら，ポンプ・プローブ法を組み合わせた光学効果などの測定に限られており，電子構造レベルまでミクロな視点で現象を明らかにするツールは無かった。本研究で実現した tr-SARPES はこの制限を打破する手法であり，物質に本質的に備わっている光スピン機能をミクロな視点で引き出すことが可能となった。

研究成果

• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
• [国際共同研究] Advanced Light Source(米国)
• [国際共同研究] Elettra Synchrotron Radiation Center(イタリア)
• [雑誌論文] Visualization of optical polarization transfer to photoelectron spin vector emitted from a spin-orbit coupled surface state (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenta Kuroda, Koichiro Yaji, Ryo Noguchi, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Takeshi Kondo, and Fumio Komori
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l121106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multipole polaron in the devil's staircase of CeSb (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Arai, K. Kuroda, T. Nomoto, Z. H. Tin, S. Sakuragi, C. Bareille, S. Akebi, K. Kurokawa, Y. Kinoshita, W.-L. Zhang, S. Shin, M. Tokunaga, H. Kitazawa, Y. Haga, H. S. Suzuki, S. Miyasaka, S. Tajima, K. Iwasa, R. Arita, T. Kondo
  • 雑誌名: Nat. Mater. 巻: 21 号: 4 ページ: 410-410
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01188-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large anomalous Hall effect induced by weak ferromagnetism in the noncentrosymmetric antiferromagnet CoNb3S6 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Tanaka, Shota Okazaki, Kenta Kuroda, Ryo Noguchi, Yosuke Arai, Susumu Minami, Shinichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Donghui Lu, Makoto Hashimoto, Viktor Kandyba, Mattia Cattelan, Alexei Barinov, Takayuki Muro, Takao Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 12 ページ: 121102-121102
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l121102
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Selective observation of surface and bulk bands in polar WTe2 by laser-based spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuxuan Wan, Lihai Wang, Kenta Kuroda, Peng Zhang, Keisuke Koshiishi, Masahiro Suzuki, Jaewook Kim, Ryo Noguchi, C_dric Bareille, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Shik Shin, Sang-Wook Cheong, Atsushi Fujimori, and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 8 ページ: 085421-085421
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.085421
  • 査読あり / 国際共著
• [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] Visualization of the strain-induced topological phase transition in a quasi-one-dimensional superconductor TaSe3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chun Lin, Masayuki Ochi, Ryo Noguchi, Kenta Kuroda, Masahito Sakoda, Atsushi Nomura, Masakatsu Tsubota, Peng Zhang, Cedric Bareille, Kifu Kurokawa, Yosuke Arai, Kaishu Kawaguchi, Hiroaki Tanaka, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Shik Shin, Ryotaro Arita, Satoshi Tanda and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 20 号: 8 ページ: 1093-1099
  • DOI: 10.1038/s41563-021-01004-4
  • 査読あり / 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] 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] Bulk quantum Hall effect of spin-valley coupled Dirac fermions in the polar antiferromagnet BaMnSb$_2$ (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Sakai, H. Fujimura, S. Sakuragi, M. Ochi, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, T. Kojima, D. Hashizume, T. Muro, K. Kuroda, Takeshi Kondo, T. Kida, M. Hagiwara, K. Kuroki, M. Kondo, K. Tsuruda, H. Murakawa, and N. Hanasaki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B (Rapid Commun.) 巻: 101 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.081104
  • 査読あり / 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] Radial spin texture in elemental tellurium with chiral crystal structure (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Sakano, M. Hirayama, T. Takahashi, S. Akebi, M. Nakayama, K. Kuroda, K. Taguchi, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Ono, H. Kumigashira, T. Ideue, Y. Iwasa, N. Mitsuishi, K. Ishizaka, S. Shin, T. Miyake, S. Murakami, T. Sasagawa, and Takeshi Kondo
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 124 号: 13 ページ: 136404-136409
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.136404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Monolithic LiF or MgF2 lens-window-prism device for coherent 10.7 eV beam source with 1 MHz repetition rate (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhao Zhigang、Kuroda Kenta、Harasawa Ayumi、Kondo Takeshi、Shin Shik、Kobayashi Yohei
  • 雑誌名: Chinese Optics Letters 巻: 17 号: 5 ページ: 051406-051406
  • DOI: 10.3788/col201917.051406
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極したBi(111)表面状態の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 第 77 回年次大会（2022年）
• [学会発表] Putting more information on spin-ARPES: from meV energy-resolution to fs time-resolution (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太
  • 学会等名: HiSOR seminar
  • 招待講演
• [学会発表] 高繰り返し 1-MHz 遠紫外 10.7-eV レーザーを取り入れた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 川口海周, 福島優斗, 趙智剛, 谷峻太郎, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 野口亮, 矢治光一郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置におけるソフトウェア開発：デジタル化・オンライン化に向けた取り組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光によるスピン偏極電子状態の光励起ダイナミクスの観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解電子分光による非占有電子状態の観測とチャープ調整による高時間分解能化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福島優斗, 川口海周, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, 矢治光一郎, 笹川崇男, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [学会発表] 高繰り返し10.7 eV レーザーによる時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発と非占有スピン偏極電子状態の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 福島優斗, 黒田健太, 田中宏明, 原沢あゆみ, 飯盛拓嗣, 趙智剛, 谷峻太郎, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 木村昭夫, 矢治光一郎, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2021
• [学会発表] Time-, spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy of solids in the 10.7- eV extreme-ultraviolet at 1-MHz repetition rate (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kawaguchi, K. Kuroda, Y. Fukushima, Z. Zhao, S. Tani, H. Tanaka, A. Harasawa, T. Iimori, R. Noguchi, K. Yaji, S. Shin, F. Komori, Y. Kobayashi and T. Kondo
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science
• [学会発表] 10.7 eV レーザーによるトポロジカル表面状態の偏光依存スピン分解 ARPES (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 谷俊太郎, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 軟X線磁気円二色性で観測したファンデルワールス強磁性体Fe5GeTe2の混成由来による配位子のスピン偏極状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山神光平, B. Driesen, 藤澤唯太, C. H. Hsu, 川口海周, 田中宏明, 黒田健太, 近藤猛, Y. Zhang, 和達大樹, 荒木恒星, 武田崇仁, 小林正起, 竹田幸治, 室隆桂之, F. C. Chuang, 岡田佳憲
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] レーザー ARPES によるファンデルワールス Fe 系強磁性体における準粒子コヒーレンスの温度変化の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒田健太, 川口海周, 山神光平, 藤澤唯太, 野口亮, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 岡田佳憲, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 反強磁性体CeSbの「悪魔の階段」と共に発達する磁気ポーラロン状態の観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 新井陽介, 黒田健太, 野本拓也, Z. H. Tin, 櫻木俊輔, C. Bareill, 明比俊太朗, 黒川輝風, 木下雄斗, W. L. Zhang, 辛埴, 徳永将史, 宮坂茂樹, 田島節子, 芳賀芳範, 北澤英明, 鈴木博之, 岩佐和晃, 有田亮太郎, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] カゴメ格子積層結晶Fe3Sn2のバンド分散における格子ひずみおよび積層対称性の効果：2次元カゴメ格子モデルに基づく解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 黒田健太, 野口亮, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 放射光角度分解光電子分光によるカゴメ格子積層結晶Fe3Sn2の電子状態観測：バルク電子構造の3次元性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中宏明, 藤澤唯太, 黒田健太, 野口亮, 櫻木俊輔, Cedric Bareille, Barnaby Smith, Cephise Cacho, Sung Won Jung, 室隆桂之, 岡田佳憲, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [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, L, 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] 10.7 eV レーザーを用いた時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] カリウム蒸着で希薄ドープ化した綺麗なCuO2面の電子状態：レーザー角度分解光電子分光による研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黒川輝風, 磯野隼佑, 小濱芳允, 國定聡, 酒井志朗, 関根遼太郎, 大久保卓, 鶴川智一, 黒田健太, 辛埴, 遠山貴己, 常盤和靖, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] TlBiSe2への光誘起ホールドーピング (2020)
  • 著者名/発表者名: 板谷亮太, 榎原成則, 葛西健太郎, 中田慶隆, 黒田健太, 福谷圭祐, 山本勇, 坂本一之
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発：遠紫外光学素子の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: ISSPワークショップ「次世代放射光へのイノベーション」
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発：遠紫外光学素子の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口海周, 黒田健太, Zhigang Zhao, 原沢あゆみ, 矢治光一郎, 野口亮, 谷俊太郎, 藤澤正美, 辛埴, 小森文夫, 小林洋平, 近藤猛
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [備考] 川口海周（近藤研D3）氏、表面・界面スペクトロスコピー2021のスチューデントプライズを受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15165
• [備考] 川口海周（近藤研D3）氏、日本放射光学会の学生発表賞を受賞
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=15275
• [備考] 伝導電子と局在スピン・軌道が織りなす悪魔の調律
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=14628
• [備考] 悪魔と取引した電子たち
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=10729