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

2017 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 / 超高速現象

研究実績の概要

レーザーのパルス性、単色性、偏光可変性、微小スポットなどの性質を最大限利用した高効率スピン・角度分解光電子分光装置の開発を行った。平成29年度はまず、集光レンズおよび高性能CCDカメラを導入し、スポットサイズ10ミクロン以下の極めて高い空間分解能で顕微分光が行える測定系を構築した。また、λ/2波長板を導入したことで、偏光依存性測定も可能となった。装置の性能評価のため、Auや高温超伝導体Bi2212、トポロジカル絶縁体Bi2Te3などでテスト測定を行い、期待通りのエネルギー分解能・波数分解能を実現していることを確認した。また、鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3について顕微分光を行い、2種類の終端面に起因したスピン偏極トポロジカル表面状態を分離観測することにも成功した（論文査読中）。
次にトポロジカル絶縁体(Sb1-xBix)2Te3について、いくつかの組成で時間・角度分解光電子分光を行い、ディラック粒子の超高速キャリアダイナミクスの系統的な変化を追跡した。その結果、バルクが金属的な場合は非平衡状態が数ピコ秒以内で緩和するのに対し、絶縁性が高くなると非平衡状態がナノ秒領域まで持続することが明らかとなった。また、バルク絶縁性が高い場合に限り、表面光起電力効果が生じていることも実験的に見出し、トポロジカル絶縁体のオプトエレクトロニクス材料としての可能性を示した（Scientific Reports誌に掲載、プレスリリース）。さらに、バルクが金属的な場合であっても、p型試料では過渡的な反転分布状態が形成されていることを実験的に明らかにし、トポロジカル絶縁体を用いた広帯域レーザー発振への可能性を見出した（論文査読中）。

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

高効率スピン・角度分解光電子分光装置の開発については、集光レンズを導入することにより、スポットサイズ10ミクロン以下の極めて高い空間分解能を実現し、これまで測定が困難であった微小試料や複数のドメインを持つ試料の顕微分光が可能となった。しかしながら、半球型電子分析器のレンズパラメタには若干の修正余地が残されており、最終調整が必要である。また、高精度スピン分解測定のためには更なるレーザー光源の安定化が必要であることが明らかとなった。
一方、トポロジカル絶縁体のスピン偏極電子状態・超高速ダイナミクスの研究についても装置開発と並行して進めており、当初の予想以上の成果が得られている。特に平成29年度は、トポロジカル絶縁体の光機能化に関する有益な知見がいくつか得られた。これらの結果をもとに複数の国際学会（招待講演を含む）・国内学会にて成果報告を行い、平成29年度は3件の発表賞（国際学会1件、国内学会2件）を受賞した。
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

半球型電子分析器のレンズパラメタには若干の修正余地があるため、平成30年度はパラメタの最終調整を行う予定である。また、VLEED検出器を用いたスピン分解測定のためには光源の安定性が重要であるため、レーザー光源の安定化（振動対策など）も平成30年度に取り組む予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Ultrafast dynamics of an unoccupied surface resonance state in Bi2Te2Se (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nurmamat, E. E. Krasovskii, Y. Ishida, K. Sumida, J. Chen, T. Yoshikawa, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 115303/1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.115303
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental realization of type-II Weyl state in noncentrosymmetric TaIrTe4 (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Haubold, K. Koepernik, D. Efremov, S. Khim, A. Fedorov, Y. Kushnirenko, J. van den Brink, S. Wurmehl, B. Buchner, T. K. Kim, M. Hoesch, K. Sumida, K. Taguchi, T. Yoshikawa, A. Kimura. T. Okuda, and S. V. Borisenko
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 241108/1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.241108
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka. T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, and E. V. Chulkov
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 17 ページ: 3493-3500
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prolonged duration of nonequilibrated Dirac fermions in neutral topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, Y. Ishida, S. Zhu, M. Ye, A. Pertsova, C. Triola, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. V. Balatsky, S. Shin, and A. Kimura
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 14080/1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-14308-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct evidence of hidden local spin polarization in a centrosymmetric superconductor LaO0.55 F0.45BiS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Wu, K. Sumida, K. Miyamoto, K. Taguchi, T. Yoshikawa, A. Kimura, Y. Ueda, M. Arita, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, and T. Okuda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1919/1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02058-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3における反転分布現象の観測と制御 (2018)
  • 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2018年年次大会
• [学会発表] Inverted Dirac-population in a thermally activated topological insulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: International workshop “Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases : From solid state physics to transdisciplinary concepts”
  • 国際学会
• [学会発表] Population inversion in topological insulators (Sb,Bi)2Te3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: The 1st International Workshop on Emergent Condensed Matter Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Present Status of 6eV Laser Based Spin-ARPES system (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, K. Miyamoto, E. Annese, K. Taguchi, K. Shimada, A. Kimura, and T. Okuda
  • 学会等名: The 22nd Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] 鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3のスピン角度分解光電子分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 棗田翼, 白井開渡, 黒田健太, 朱思源, 田口一暁, 宮本幸治, 奥田太一, 有田将司, 生天目博文, 谷口雅樹, 藤井純, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, E. V. Chulkov, 木村昭夫
  • 学会等名: スタートアップ研究会基盤研究S「トポロジカル相でのバルク・エッジ対応の多様性と普遍性：固体物理を超えて分野横断へ」
• [学会発表] 放射光分光及び第一原理計算を用いたホイスラー合金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, 吉川智己, 檜垣聡太, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本金属学会2017年秋期講演大会
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3のキャリア誘起強磁性および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, 吉川智己, 檜垣聡太, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, 竹田幸治, 斎藤祐児, 辛埴, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] ホイスラー合金Co2Cr(Ga,Si)におけるリエントラント・マルテンサイト変態機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 辻川雅人, 許皛, 陳家華, 朱思源, 吉川智己, 檜垣聡太, 上田茂典, 竹田幸治, 斎藤祐児, 白井正文, 貝沼亮介, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Ultrafast Surface Dirac Fermion Dynamics of Sb2Te3-based Topological Insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: Superstripes2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Temperature-induced prolonged duration of non-equilibrium surface Dirac fermions in topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Tomoki Yoshikawa, Jiahua Chen, Munisa Nurmamat, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: 10th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast surface Dirac fermions dynamics of magnetic topological insulator (Sb1-xVx)2Te3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: The 17th International workshop on strong correlations and angle-resolved photoemission spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast surface carrier dynamics of magnetically doped topological insulators (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Shik Shin, and Akio Kimura
  • 学会等名: New Trends in Topological Insulators 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Unveiling reentrant martensitic phase transition mechanism in Co2Cr(Ga,Si) Heusler alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, M. Tsujikawa, X. Xu, J. Chen, S. Zhu, T. Yoshikawa, S. Higaki, S. Ueda, Y. Takeda, Y. Saitoh, M. Shirai, R. Kainuma, and A. Kimura
  • 学会等名: Junjiro Kanamori Memorial International Symposium -New Horizon of Magnetism-
  • 国際学会
• [備考] トポロジカル絶縁体に付与した光情報の持続時間を飛躍的に長くすることに成功
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42287
• [備考] 新奇超伝導体に特殊なスピン電子構造を発見 －スピントロニクスデバイス開発と超伝導研究に新たな光－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/42893
• [備考] トポロジカル絶縁体を強磁性にする新たな方法を発見 －量子異常ホール効果を利用したデバイス開発へ進展－
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/39806