時間分解及びスピン分解光電子分光による表面一次元金属電子のスピン物性研究

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K17675
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 矢治 光一郎 東京大学, 物性研究所, 助教 (50447447)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: スピン軌道相互作用 / 固体表面 / スピン分解光電子分光

研究実績の概要

近年, 固体中の強いスピン軌道相互作用を対象とした電子スピン物性研究が盛んに行われている。これら系のスピン構造は，運動量空間内でヘリカルなテクスチャをとることが知られている。一方，表面一次元電子系では，対称性の低下や異方的な電荷密度分布により，特異なスピン構造が現れることが予想される。また，一次元金属電子系では，パイエルス不安定性や朝永-ラッティンジャー液体状態の出現によりそのフェルミ面は不安定化するが，スピン縮退が解けた系におけるフェルミ面の不安定性を解明することも重要である。このような一次元系の特異なスピン状態を解明するためには，通常の角度分解光電子分光（ARPES）だけではなく，三次元的にスピン解析ができる角度分解光電子分光（SARPES）を用いて，電子バンドの三次元的なスピン構造を決定することが必須である。
本研究は，我々が開発したレーザー光励起三次元SARPES装置を用いて行われている。本装置は，世界最高分解能を有しており，微小なスピン分裂を観測することが可能である。また，最近になって，トポロジカル絶縁体などのスピン軌道相互作用の強い系では，スピンと軌道が密接に絡み合ったような状態にあるという話題が出始めている。レーザー光の偏光特性を利用すると，軌道の対称性にもアクセスでき，様々な系のスピンと軌道のテクスチャを解明することができる。
平成２７年度は，重元素であるビスマスや白金を含んだ表面超構造試料を作成し，ARPESとSARPESを用いて，スピンに依存した電子構造を精密に調べた。直線偏光依存三次元SARPESを行い，軌道選択的にスピンの情報を得る試みも行った。また，これまでのバンドのスピン分裂に関する研究では，スピン軌道相互作用が強い重元素を含んだ系が中心であったが，本研究では，スピン軌道相互作用が弱い軽元素表面でも，高精度にスピン構造を決定することに成功した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

表面一次元系の研究は，白金原子をゲルマニウム基板上に微量蒸着することにより作成した表面一次元原子鎖試料を作成し，その電子状態を調べた。ARPESより，この表面には一次元金属としての特徴を有したいくつかの表面電子バンドがあることが明らかにされた。また，それらのうちの一つは，白金の強いスピン軌道相互作用により大きくスピン分裂していることが，SARPESにより示された。さらに高分解能ARPESより，この系は一次元金属的な特徴を有しているにも関わらず，通常のフェルミ液体描像でうまく説明できるものだった。一次元金属電子論では，パイエルス不安定性や朝永-ラッティンジャー液体状態の出現が予想されるが，実際の固体表面試料では，このような理論とは異なる結果になったと言える。この成果は，論文投稿中である。
当該年度は，スピンと軌道のテクスチャに関する研究も行った。これまでの報告では，このような特異な電子構造はトポロジカル表面電子状態に現れるとされていた。しかしながら，我々は，トポロジカル表面状態でなくとも，スピン縮退が解けた系の一般物理として，このような状態が実現しているのではないかと予想した。これを証明するためには，結晶構造と電子バンド構造がよく知られている系で検証することが最適である。本研究ではビスマス単結晶表面について，直線偏光依存SARPESを行った。その結果，スピン分裂したバンドでは，軌道の対称性の偶奇によって，スピンの向きが１００パーセント反転していることが明らかになった。これは従来のモデルを覆す成果で，非常に大きなインパクトを持っている。
また，高分解能SARPESを用いて，微小なスピン軌道分裂を示すことが理論的に予想されていた銅表面や銀表面のスピン構造の研究も行った。その結果，世界で初めて，実験的にこれらの貴金属表面にもスピン偏極した電子状態が存在していることを示した。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画は，表面一次元電子系のスピン構造を調べるというものであった。しかしながら，研究を進めていく中で，研究の対象を表面一次元系に限定してしまうのではなく，表面電子のスピン物性という包括的な枠組みで研究を行い，そこで得られた知見を表面一次元電子系にフィードバックするという方法が，本研究を効率的に進め，物理を正しく理解するために重要であることがわかった。上述したような，「絡み合ったスピンと軌道のテクスチャ」がその典型的な例である。
平成２８年度は，スピン縮退が解けた表面電子バンドのスピンと軌道のテクスチャについての研究を行う。最近の我々の研究によると，光電効果でスピン縮退が解けたバンドから放出される光電子のスピンは，その始状態だけではなく，入射する光子の電場ベクトルの向きに大きく依存することがわかってきた（論文執筆中）。この背景にある物理は，ある特定の試料に依存した特殊なことではなく，光電効果そのものに関わる一般的なことであると予想している。未だ解明されていない，スピンに依存した光電子放出プロセスを明らかにすることが，表面一次元電子系のスピン電子物性を解明することにもつながる。具体的には，スピン偏極光電子の光電効果に関する研究をビスマスや半導体表面試料を用いて調べる。ここで得られる光電子のスピン物性に関する新規物理は，表面物性や光物性分野のみならず，光によるスピン制御という観点から応用面でも大きなインパクトを持つ。
また，本研究では，世界に先駆けて時間分解SARPESを行うことも目標としている。そのための準備として，時間分解ARPESを用いて，ビスマス表面電子状態のキャリア緩和のダイナミクス測定を行う。ここで得られた知見をもとにして，時間とスピンの両方を分解した光電子分光測定へと発展させていく。

次年度使用額が生じた理由

当該年度は，概ね計画通りに予算を使用した。次年度使用額が生じた理由は，実験に使用する真空部品等の実際の使用量の若干の変動によるものである。

次年度使用額の使用計画

次年度は，重元素を吸着したゲルマニウム表面の研究のために，蒸着装置用の部品を購入する。装置の真空度を正確にモニターするための真空ゲージも購入する。
また，成果報告及び世界最先端の情報を収集するために，国際会議への参加を予定している。具体的には，7月にスイスのチューリッヒで開催される"39th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics"において成果発表を行う。また，日本国内で開催される”日本物理学会”にも参加し，口頭発表を行う。これらのための旅費として予算を使用予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Spin Polarization and Texture of the Fermi Arcs in the Weyl Fermion Semimetal TaAs (2016)
  • 著者名/発表者名: S.-Y. Xu, I. Belopolski, D. S. Sanchez, M. Neupane, G. Chang, K. Yaji, Z. Yuan, C. Zhang, K. Kuroda, G. Bian, C. Guo, Hong Lu, T.-R. Chang, N. Alidoust, H. Zheng, C.-C. Lee, S.-M. Huang, C.-H. Hsu, H.-T. Jeng, A. Bansil, T. Neupert, F. Komori, T. Kondo, S. Shin, H. Lin, S. Jia, and M. Z. Hasan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 ページ: 096801-1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.096801
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] レーザー光励起スピン・角度分解光電子分光装置の開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 矢治光一郎
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 37 ページ: 19-24
  • 査読あり
• [雑誌論文] Significantly enhanced giant Rashba splitting in a thin film of binary alloy (2015)
  • 著者名/発表者名: W.-C. Chen, T.-R. Chang, S.-T. Tai, S. Yamamoto, J.-M. Kuo, C.-M. Cheng, K.-D. Tsuei, K. Yaji, H. Lin, H.-T. Jeng, C.-Y. Mou, I. Matsuda, S.-J. Tang
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 17 ページ: 083015-1-12
  • DOI: doi:10.1088/1367-2630/17/8/083015
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 偏光可変レーザースピン分解光電子分光によるBi(111)表面電子状態の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 矢治光一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第７１回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] レーザー光励起による高効率・高分解能三次元スピン分解光電子分光装置の開発II (2015)
  • 著者名/発表者名: 矢治光一郎
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 発表場所: 関西大学（大阪府吹田市）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19