オペランド（外場印加）スピン角度分解光電子分光によるトポロジカル相転移の研究

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00347
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 奥田 太一 広島大学, 放射光科学研究センター, 教授 (80313120)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: トポロジカル相転移 / スピン・角度分解光電子分光 / 外場印加下光電子分光 / マイクロビーム / カイラル誘起スピン選択効果

研究実績の概要

本研究では、トポロジカル物質の電子状態（バンド分散、スピン偏極）を直接観測できるスピン・角度分解光電子分光を外場（温度、圧力、電場など）を印加しながら行い、トポロジカル相転移の物理を解明することを目的とした。
スピン・角度分解光電子分光法は測定効率が悪いため、様々な条件下での電子状態を効率よく観測するため、本研究では試料に圧力勾配、電場勾配などを生じさせ、測定に用いる励起光（放射光、レーザー）を微小に絞り、試料上の位置を変化させて測定することで効率よく外場の変化による電子状態の変化を観測することを計画した。微小ビームの実現のため、スピン・角度分解光電子分光装置の設置されている放射光ビームラインにキャピラリー型の回転楕円ミラーを導入し、横400μm×縦100μm程度にビームを集光することができた。しかし、このビームサイズは当初予定より横方向が大きかったため、並行して6eVレーザーと集光レンズを導入し、５ミクロンサイズの微小ビームを実現した。これにモーター制御式の高精度のXYZステージを導入し、制御プログラムも整備し、世界初の顕微スピン角度分解ARPESシステムを完成させた。
これを用いて、外場印加でのスピンARPES測定を行うため、外場印加用の試料ホルダー作成やマニピュレータの改造を行い、トポロジカル状態とトリビアル状態の狭間にあるTlBiSe2、TlBiS2などの試料の電子状態変化の観測等を試みた。その結果、圧力印加による電子状態の変化は観測されたが、理論で予想されたトポロジカル相転移は明瞭には観測されなかった。一方、キラル構造を持つ物質に電流を流すとスピン偏極電流が生じるCISS効果の分光学的な検証もNbSi2,DNA、キラル有機分子などで行った。いずれも明瞭なCISS効果は観測されなかったが、理論では予想されない螺旋状の光電子分布が観測されるなど、新たな物理現象を発見した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] SOLEIL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: SOLEIL
• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Weizmann Institute of Science
• [国際共同研究] 南方科技大/中国科学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 南方科技大/中国科学院
• [国際共同研究] Wurzburg University/Muenster University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Wurzburg University/Muenster University
• [国際共同研究] University of Wisconsin-Milwaukee(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Wisconsin-Milwaukee
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy with micrometer spatial resolution and detection of three-dimensional spin vector (2024)
  • 著者名/発表者名: Takuma Iwata, T Kousa, Y Nishioka, K Ohwada, K Sumida, E Annese, M Kakoki, Kenta Kuroda, H Iwasawa, M Arita, S Kumar, A Kimura, K Miyamoto, T Okuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: 127
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47719-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spiral band structure hidden in the bulk chiral crystal NbSi2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Cheng Zhang, Tatsuya Shishidou, Ryoga Amano, Koji Miyamoto, Taisei Sayo, Chiho Shimada, Yusuke Kousaka, Michael Weinert, Yoshihiko Togawa, Taichi Okuda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 235164
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.235164
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exploring spin-polarization in Bi-based high-Tc cuprates (2023)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Iwasawa, Kazuki Sumida, Shigeyuki Ishida, Patrick Le Fevre, Francois Bertran, Yoshiyuki Yoshida, Hiroshi Eisaki, Andres F Santander-Syro, Taichi Okuda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: 13451
  • DOI: 10.1038/s41598-023-40145-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strongly anisotropic spin and orbital Rashba effect at a tellurium-noble metal interface (2023)
  • 著者名/発表者名: B Geldiyev, M Unzelmann, P Eck, T Kisslinger, J Schusser, T Figgemeier, P Kagerer, N Tezak, M Krivenkov, A Varykhalov, A Fedorov, L Nicolai, J Minar, K Miyamoto, T Okuda, K Shimada, D Di Sante, G Sangiovanni, L Hammer, MA Schneider, H Bentmann, F Reinert
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: L121107
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L121107
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 垂直磁気異方性を示すRh(001)基板上のFeCo薄膜のスピン偏極電子状態 (2024)
  • 著者名/発表者名: 國友香里, 角田一樹A, 宮本幸治, Cheng Zhang, 桜庭裕弥, 奥田太一
  • 学会等名: 日本物理学会春季大会
• [学会発表] Electronic Properties of (Bi,Pb)/Ge(111) Studied by Spin-Resolved ARPES (2024)
  • 著者名/発表者名: L. Konermann, H. Abe, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, M. Imamura, K. Takahashi, A. Takayama
  • 学会等名: 日本物理学会春季大会
• [学会発表] 軟X線角度分解光電子分光を用いた反強磁性体PdCrO2における電子状態の研究 (2024)
  • 著者名/発表者名: 岩田 拓万、白石 海人、中西 楓恋、森田 雄晴、西岡 幸美、高佐 永遠、大和田 清貴、Munisa Nurmamat、山神 光平、木村 昭夫、宮本 幸治、奥田 太一、高津 浩、黒田 健太
  • 学会等名: 日本放射光学会
• [学会発表] Preparation of Pt Thin Film on MgO (001) and Observation of Its Electronic Structure (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Asano, K. Sumida, K. Kunitomo, T. Okuda, and K. Miyamoto
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Attempt to Control the Anisotropy of Topological Surface States (2024)
  • 著者名/発表者名: R. Yamamoto, K. Sumida, K. Miyamoto, and T. Okuda
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-polarized electronic states of FeCo thin film on Rh(001) substrate (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Kunitomo, K. Sumida, K. Miyamoto, C. Zhang, Y. Sakuraba, and T. Okuda
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast Spin-Dependent Dynamics in a Carrier-Tuned Topological Insulator (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Sumida, K. Kunitomo, M. Kakoki, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, J. Reimann, J. Gudde, U. Hofer, K. Miyamoto, T. Okuda and A. Kimura
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of phase-resolved spin-ARPES on topological surface states in Bi2Te3 (2024)
  • 著者名/発表者名: Towa Kousa, T. Iwata, S. Kumar, A. Kimura, K. Miyamoto, T. Okuda and K. Kuroda
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Performance of laser-based SARPES with micrometer spatial and vector spin resolution at HiSOR (2024)
  • 著者名/発表者名: Takuma Iwata, T. Kousa, Y. Nishioka, K. Ohwada, K. Sumida, E. Annese, M. Kakoki, K. Kuroda, H. Iwasawa, M. Arita, S. Kumar, A. Kimura, Miyamoto and T. Okuda
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Direct Observation of Spin-split Electronic Structures in Antiferromagnet NdBi by Laser-based SARPES (2024)
  • 著者名/発表者名: Rikako Yamamoto, T. Motoyama, T. Iwata, T. Kosa, Y. Nishioka, K. Ideura, M. Arita, S. Ideta, K. Shimada, K. Miyamoto, T. Okuda, A. Kimura, T. Onimaru, and Kenta Kuroda
  • 学会等名: 28th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Spiral electronic structure of chiral crystal NbSi2 (2023)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, K. Miyamoto, T. Shishidou, R. Amano, T. Sayo, C. Shimada, Y. Kousaka, M. Weinert, Y. Togawa, and T. Okuda
  • 学会等名: 第３６回日本放射光学会
• [学会発表] Spiral Band Structure Hidden in the bulk Chiral Crystal NbSi2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Cheng Zhang, Koji Miyamoto, Tatsuya Shishidou, Ryoga Amano, Taisei Sayo, Chiho Shimada, Yusuke Kousaka, Michael Weinert, Yoshihiko Togawa, and Taichi Okuda
  • 学会等名: The 19th International Conference on Chiroptical Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Spiral Band Structure Hidden in the bulk Chiral Crystal NbSi2 (2023)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, T. Shishidou, R. Amano, K. Miyamoto1, T. Sayo, C. Shimada, Y. Kousaka, M. Weinert, Y. Togawa, and T. Okuda
  • 学会等名: The 3rd Advanced Materials Research Grand Meeting and the 24th International Union of Materials Research Societies-International Conference in Asia
  • 国際学会
• [学会発表] スピン角度分解光電子分光による酸素終端FeCo薄膜のスピン電子状態の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 國友香里, 宮本幸治, Cheng Zhang, 桜庭裕弥, 奥田太一
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 軟X線角度分解光電子分光とSHG顕微鏡を用いたデラフォサイト型酸化物の電子状態の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩田拓万, 白石海人, 中西楓恋, 森田雄晴, 西岡幸美, 高佐永遠, 大和田清貴, Munisa Nurmamat, 山神光平, 木村昭夫, 宮本幸治, 奥田太一, 高津浩, 黒田健太
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
• [学会発表] 次世代スピン分解光電子分光測定に向けたHiSORでのR&Dの現状 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥田太一
  • 学会等名: ナノテラスARPESシンポジウム(ナノ集光で拓くサイエンスの新展開)
• [学会発表] Peculiar spin texture of Bi(110) observed by ESPRESSO machine (2023)
  • 著者名/発表者名: Taichi Okuda
  • 学会等名: Seminar ISMO, Universite Paris-Saclay
• [学会発表] Spin- and Angle-resolved photoelectron spectroscopy and its application for chiral material (2023)
  • 著者名/発表者名: Taichi Okuda
  • 学会等名: SKCM2 2023 Winter School
• [備考] 電子・スピンの運動を可視化する走査型顕微鏡の開発 -マイクロメートル領域のスピン流を精密に測定
  • URL: https://www.hsrc.hiroshima-u.ac.jp/research/result/63.html