マイクロ集光レーザーを用いた磁気ドメイン選択的ARPESによるワイル磁性体の研究

• 研究課題/領域番号: 22KJ0571
• 補助金の研究課題番号: 21J20657 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 田中 宏明 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 角度分解光電子分光 / 擬二次元物質 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 表面電子状態 / 第一原理計算 / 電子構造 / ワイル半金属 / トポロジカル物質

研究開始時の研究の概要

角度分解光電子分光(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)は光電効果を利用した電子状態観測の手法である。固体結晶に紫外線やX線などの波長の短い光を当てることで放出される光電子のエネルギーと運動量を測定し、固体結晶中での電子の振る舞いを明らかにすることができる。しかし、光電子放出過程での散乱により、観測できる電子状態が表面近傍のみとなるという特徴がある。表面近傍電子状態が結晶内部（バルク）とどのように異なっているか、実験と計算シミュレーションを駆使して明らかにする。

研究実績の概要

前年度に開発した光電子強度分布シミュレータをさらに改良し、より近似の少ない計算手法を構築した。これまでの光電子強度計算では、光電子の運動エネルギーが十分高いことを前提に光電子状態の記述が行われてきた。そのため、低エネルギー光電子分光においては近似が成り立たず、より精度の高い手法を取り入れる必要がある。このような計算手法は近年研究が進められてきたが、現段階では光電子状態の記述に様々な表式が存在しており、どれが適切なものであるかは明確になっていなかった。そこで、前年度に発表した光電子励起の理論論文に基づき、低エネルギー光電子分光にも適用できる光電子波動関数の計算手法を構築した。計算においては、第一原理計算で得られるポテンシャル分布を用い、放出光電子に対応する平面波波動関数が真空中に現れるように励起状態を計算した。

新たに構築した光電子状態計算手法を、遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TiS2の光電子分光スペクトルに適用し実験結果の再現性を議論した。従来の近似手法である平面波近似を用いた場合と比較し、光電子分光スペクトルの光エネルギー・入射偏光依存性をより良く再現できることを明らかにした。計算により求めた励起状態波動関数を詳しく調べると、固体中では様々な波の和に分解できることが分かった。平面波近似ではこれが単一の波であると仮定されているため、この違いが実験結果のより良い再現性に寄与しているといえる。真空中において平面波となるよう設定しているため、境界条件から固体中波動関数は様々な波の和になる。固体中のポテンシャルを平坦であると仮定しても進行波と反射波に2つの成分が必要であり、実際に反射波成分が存在することも定量的に示すことができた。

研究成果

• [雑誌論文] Broken Screw Rotational Symmetry in the Near-Surface Electronic Structure of AB-Stacked Crystals (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Tanaka, S. Okazaki, M. Kobayashi, Y. Fukushima, Y. Arai, T. Iimori, M. Lippmaa, K. Yamagami, Y. Kotani, F. Komori, K. Kuroda, T. Sasagawa, and T. Kondo
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 132 号: 13 ページ: 136402-136402
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.136402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SPADExp: A photoemission angular distribution simulator directly linked to first-principles calculations (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiroaki、Kuroda Kenta、Matsushita Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 巻: 264 ページ: 147297-147297
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2023.147297
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Wave Function of a Photoelectron and Its Collapse in the Photoemission Process (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiroaki
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 21 号: 3 ページ: 139-143
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-013
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2022-12-08
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [学会発表] Broken screw rotational symmetry in the near-surface electronic structure of nodal line materials (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Tanaka, Shota Okazaki, Masaru Kobayashi, Yuto Fukushima, Yosuke Arai, Takushi Iimori, Mikk Lippmaa, Kohei Yamagami, Yoshinori Kotani, Fumio Komori, Kenta Kuroda, Takao Sasagawa, Takeshi Kondo
  • 学会等名: APS March Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] 遷移金属ダイカルコゲナイド1T-TiS2における角度分解光電子分光スペクトルの励起光エネルギー・偏光依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明，岡崎 尚太，福島 優斗，川口 海周，原沢 あゆみ，飯盛 拓嗣， 小森 文夫，有田 将司，森 亮，黒田 健太，笹川 崇男，近藤 猛
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] SX-ARPESで調べる強磁性スピネルHgCr2Se4の半導体的電子状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明、A. V. Telegin、Yu. P. Sukhorukov、V. A. Golyashov、O. E. Tereshchenko、A. N. Lavrov、松田 拓也、松永 隆佑、明石 遼介、M. Lippmaa、新井 陽介、室 隆桂之、出田 真一郎、田中 清尚、近藤 猛、黒田 健太
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会
• [学会発表] AB積層結晶の表面近傍電子状態におけるらせん対称性の破れ (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明、岡崎 尚太、小林 賢、福島 優斗、新井 陽介、飯盛 拓嗣、Mikk Lippmaa、山神 光平、小谷 佳範、小森 文夫、黒田 健太、笹川 崇男、近藤 猛
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Analysis of photoemission angular distribution based on first-principles calculations (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明、黒田 健太、松下 智裕
  • 学会等名: The 22nd International Vacuum Congress
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロ集光軟X線角度分解光電子分光によるワイドギャップ半導体h-BN薄片のバルク電子状態観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明、小林 賢、福島 優斗、新井 陽介、飯盛 拓嗣、山神 光平、 小谷 佳範、小森 文夫、黒田 健太、近藤 猛、笹川 崇男
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 第一原理計算に基づく角度分解光電子分光スペクトルの強度分布解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏明、黒田 健太、 松下 智裕
  • 学会等名: 第77回日本物理学会年次大会
• [学会発表] 時間・スピン・角度分解光電子分光測定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