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

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02683
• 研究機関: 広島大学
• 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
• キーワード: ポンププローブ法 / 高次高調波 / レーザー / 超高速 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用

研究実績の概要

キャリアの電荷に加えてスピン自由度も利用する 「スピントロニクス」 は、高性能な情報処理を実現する次世代テクノロジーとして期待されており、スピン 偏極電子の生成・制御の機能物性研究はスピントロニクス技術開発の中核を担う。そして現在、これらスピン偏極表面電子に備わった機能性を実験的に引き出す時代に突入しており、その中でも超高速な光学遷移を動作原理とした「光スピン制御」を制御法とする「光スピントロニクス」が注目を集めている。本研究では，波数分解しながらスピン・電子構造を直接観測できるスピン波数分解光電子分光 (SARPES) とポンプ・プローブ法を加えた時間・スピン・波数分解光電子分光 (tr-SARPES) を用いて，光励起されたスピン・電子ダイナミクスをフェムト秒スケールで分離しながら追跡することで，光スピン制御に関する本質的な機能物性の理解を目指している。本年度では，プローブ光 10.7eV の極紫外光発生に利用している Xe ガスセルチャンバーの大幅な改良を行った。その結果，問題であったLiF 結晶窓の劣化を改善することに成功して，長期的に安定化して測定ができるようになった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初の予定では，本研究で開発する時間・スピン・波数分解光電子分光装置で Bi2Se3 や Sb2Te3 などトポロジカル物質の測定を行う予定であった。しかしながら，プローブ光 10.7eV 発生で利用する強力な紫外光によって光学素子のダメージがあり，その対応に追われた。本年度でその問題は解決したが，これから測定を始める段階であるため，当初の予定からやや遅れている。

今後の研究の推進方策

Bi2Se3 や Sb2Te3 などのトポロジカル物質におけるスピン偏極表面状態のスピンダイナミクスの測定を行う。特に，Sb2Te3 ではその表面状態のエネルギー位置はフェルミ準位より高エネルギーに位置ているため，従来の波数分解光電子分光やスピン・波数分解光電子分光では困難であったため，Sb2Te3 の非占有表面状態のスピンテクスチャーを決定し，開発した時間・スピン・波数分解光電子分光の威力を実証したい。

研究成果

• [国際共同研究] Diamond Light Source(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Diamond Light Source
• [国際共同研究] Advanced Light Source(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Advanced Light Source
• [国際共同研究] Elettra Synchrotron Radiation Center(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Elettra Synchrotron Radiation Center
• [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 Cedric、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 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 ページ: 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 BaMnSb2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakai H.、Fujimura H.、Sakuragi S.、Ochi M.、Kurihara R.、Miyake A.、Tokunaga M.、Kojima T.、Hashizume D.、Muro T.、Kuroda K.、Kondo Takeshi、Kida T.、Hagiwara M.、Kuroki K.、Kondo M.、Tsuruda K.、Murakawa H.、Hanasaki N.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 081104(R)
  • 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 ページ: 161114(R)
  • 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: Sakano M.、Hirayama M.、Takahashi T.、Akebi S.、Nakayama M.、Kuroda K.、Taguchi K.、Yoshikawa T.、Miyamoto K.、Okuda T.、Ono K.、Kumigashira H.、Ideue T.、Iwasa Y.、Mitsuishi N.、Ishizaka K.、Shin S.、Miyake T.、Murakami S.、Sasagawa T.、Kondo Takeshi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: 136404
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.136404
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [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