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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J03874
• 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
• キーワード: スピン分解光電子分光 / 時間分解光電子分光 / ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体

研究実績の概要

本研究では、レーザーのパルス性、単色性、偏光可変性、微小スポットなどを利用してディラック電子系のスピン・ダイナミクスを解明することを目的としている。初年度は、「レーザー励起スピン・角度分解光電子分光装置の開発」と「時間・角度分解光電子分光を用いたディラック電子系の非平衡ダイナミクスの観測」を具体的な計画事項として掲げた。
まずは極紫外（6eV）レーザーをスピン・角度分解光電子分光装置に導入し、半球型電子分析器の性能評価を行った。本装置で使用している半球型電子分析器には電子ディフレクター機能が内蔵されており、30°×20°の放出範囲の光電子を試料回転させることなく計測することができる。この機能を利用して、トポロジカル絶縁体Bi2Se3のフェルミ面をごく短時間で観測できることを確認した。次に、2台のVLEEDスピン検出器の調整・性能評価を行った。性能評価にはBi(111)単結晶を使用し、He放電管を光源とした有効シャーマン関数Seffの見積の結果、2台の検出器で共にSeff=0.25~0.30となっており、期待通りの性能を実現していることを明らかにした。
また、量子ホール効果の発現が観測され、デバイス応用への最有力候補と考えられているトポロジカル絶縁体(Sb1-xBix)2Te3に着目し、東京大学物性研究所で時間・角度分解光電子分光を行った。その結果、ディラック点をフェルミ準位近傍にチューニングした系では、４００ピコ秒を超える非平衡持続時間が実現しており、ディラック点の位置とバルク絶縁性が非平衡持続時間に重要な役割を担っていることを世界に先駆けて明らかにした。更に、平成28年度の後半には、上記トポロジカル絶縁体に磁性元素をドープした系に着目し、磁性不純物による電子緩和寿命の影響について有益な知見が得られた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成28年度の主な目的は、広島大学での「レーザー励起スピン・角度分解光電子分光装置の開発」と東京大学物性研究所との共同研究を通じた「時間・角度分解光電子分光を用いたディラック電子系の非平衡ダイナミクスの観測」に設定した。この内、ディラック電子系の非平衡ダイナミクスに関しては当初の予想以上の成果が得られており、本研究成果をもとにEMN Prague meetingにて招待講演、３件の国際会議発表、４件の国内会議発表を行った。この内、Symposium on Surface Science and NanotechnologyではYoung Researcher Awardを受賞した。また、一部の研究成果については学術雑誌に論文を投稿中である。一方、広島大学における装置開発については、スピン検出能力の評価などは当初の計画通り行えたものの、レーザーの導入および半球型電子分析器のレンズパラメタ調整に難航したため、エネルギー分解能・波数分解能などの性能評価が行えていない。以上のことから、区分(2)に該当すると判断した。

今後の研究の推進方策

次年度はまず半球型電子分析器の最終調整を行い、平成28年度に行うことのできなかったエネルギー分解能・波数分解能の評価を行う。また、レーザー光を光学レンズにより集光し、スポットサイズ１０マイクロメートル以下の高い空間分解能をもつスピン・角度光電子分光装置の実現を目指す。装置の評価にはBiやSbなどの標準試料を用い、その後、ワイル半金属などの新奇ディラック電子系および磁性材料のスピン偏極電子状態を解明する。更に、磁性不純物がディラック電子系のキャリアダイナミクスに与える影響を明らかにするため、初年度に引き続き磁性トポロジカル絶縁体について時間・角度分解光電子分光を行う。

研究成果

• [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: Kenta Hagiwara, Yoshiyuki Ohtsubo, Masaharu Matsunami, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Hidetoshi Miyazaki, Julien E. Rault, Patrick Le Fevre, Francois Bertran, Amina Taleb-Ibrahimi, Ryu Yukawa, Masaki Kobayashi, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuki Sumida, Taichi Okuda, Fumitoshi Iga, and Shin-ichi Kimura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 ページ: 12690/1-7
  • DOI: doi:10.1038/ncomms12690
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 – 2017-03-23
• [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 – 2017-03-20
• [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 – 2017-01-25
  • 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 – 2017-01-09
• [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 – 2016-09-30
  • 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 – 2016-09-16
• [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 – 2016-07-08
  • 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 – 2016-06-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [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