カイラル金属磁性とフェルミ面のスピン分裂

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K03863
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 佐藤 仁 広島大学, 放射光科学研究センター, 准教授 (90243550)
• 研究分担者: 大原 繁男 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60262953) ; 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 – 2023-03-31
• キーワード: カイラル磁性体 / 強相関電子系 / スピン分解光電子分光

研究実績の概要

カイラル結晶構造をもつ4f電子系金属磁性体の伝導電子バンド・フェルミ面のスピン分裂が，カイラル磁気構造(左巻き・右巻きらせん磁性)の発現にどのように関与しているのか，その物理的描像の解明を目的とする．カイラル磁気構造は，伝導電子を媒介とする，4fスピンを「揃える」対称スピン相互作用(RKKY相互作用)に，スピンを「ねじる」反対称スピン相互作用(DM相互作用)が加わることで生じる．絶縁磁性体の場合とは異なり，金属磁性体のDM相互作用の起源は，不明確な状況にある．本研究では，最近発見された，4f電子系では初のカイラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)3Al9について，スピン分解光電子分光により伝導電子のスピン状態を直接観測し，磁気構造との相関を抽出することを目的としている．
本年度は，YbNi3Al9について，(001)表面の鏡面研磨により，角度分解光電子分光(ARPES)に適した平坦な表面を得た．その後，超高真空槽下でArスパッタとアニールを繰り返すことで，平坦な清浄表面を得ることを試みた．630 deg. C付近で表面近傍が溶解すること見出だし，610 deg. Cを最適なアニール温度と判断した．準備した試料表面に対し，広島大学放射光科学研究センター(HiSOR) BL-7においてARPESを実施したところ，表面がほとんど酸化膜で覆われていることが判明した．今後さらなる条件出しが必要である．
HiSOR BL-9Aにおいて集光鏡が設置され，入射光サイズが縮小されたことを受けて，破断によって得たYbNi3Al9(001)表面に対しスピン積分ARPESの再測定を行ったところ，昨年度のものと比較して格段に明瞭な分散が得られた．フェルミ面近傍において微細な構造も観測されており，スピン構造と磁気構造との相関の考察に十分なデータが取得可能である．

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

Yb(Ni1-xCux)3Al9について単結晶育成を行い，従来のものと比較して大型の単結晶の育成に成功してきている．また，温度勾配を利用したフラックス法を用いることで，エナンチオピュアな(片方のカイラル構造をもつ)単結晶育成も可能になってきている．ほとんど片方のカイラル構造のものが得られているが，微細にはもう片方のカイラル相が存在することも分かってきている．
試料表面の鏡面研磨による平坦表面の作成は恒常的に短時間で可能になってきている．YbNi3Al9の(001)表面に関しては，試料表面の融解温度を調べ，アニール温度を約610 deg. Cに設定したが，この条件では表面が酸化するという問題があり，さらに条件を整えていく必要がある．これまで同様な方法で表面作成を行なってきているYbInCu4では，破断容易面の(111)面とは異なる(001)面の清浄な平坦表面の作成に成功し，ARPESスペクトルも得られている．Yb(Ni1-xCux)3Al9においても，作成条件さえ整えば，任意の面方位が準備可能であると考えられる．
YbNi3Al9について破断試料表面に対してARPESを行なったところ，入射光サイズが縮小されたことにより，フェルミ面近傍において微細な構造が観測可能になってきた．Yb(Ni1-xCux)3Al9と比較することで，スピン構造と磁気構造との相関の考察に十分なデータが取得可能であると考えている．当初の計画のスピン分解モードでのARPES測定には至っていないが，周辺において成果が得られており，概ね順調に進展していると判断した．

今後の研究の推進方策

Yb(Ni1-xCux)3Al9単結晶について，清浄平坦試料表面を得るためのArスパッタ・アニールの条件出しを継続して行う．条件が整えば，Arスパッタ・アニールで準備した表面に対し，HiSOR BL-9Aでの高分解能ARPES，BL-9Bでのスピン分解ARPESへと順次すすめていく．並行して破断試料表面に対する測定を行う．特に，Yb(Ni1-xCux)3Al9についての測定をすすめ，これまで得られているYbNi3Al9と比較することで，フェルミ面近傍の分散の分裂と，カイラル性の相関を明らかにする．
入射光として高輝度レーザーを用いたスピン分解ARPESも，HiSORにおいて，実施する予定にしている．レーザーの入射光エネルギーは数eVの低エネルギーだが，昨年度の破断試料表面に対するスピン積分ARPES測定において，低エネルギー領域でも分散の観測が可能であることが分かっている．レーザー光のサイズは放射光と比較してかなり絞られており，破断試料表面に対しても，照射領域を変えながらスピン分解ARPESスペクトルを取得することにより，カイラル性に依存した，フェルミ面近傍の分散の電子スピン状態を調べることが可能である．

次年度使用額が生じた理由

本年度実施予定だったYb(Ni1-xCux)3Al9のスピン分解モードでのARPES測定に至っていないため，必要となる加熱用試料ホルダーなどの物品費を繰り越した．次年度は，当初予定の放射光を用いたスピン分解ARPES測定に加え，高輝度レーザーを用いたスピン分解ARPES測定も予定しており，各々別のホルダーを準備する必要があるため，本年度と次年度をあわせた予算が必要となる．

研究成果

• [雑誌論文] Tunneling current modulation in atomically precise graphene nanoribbon heterojunctions (2022)
  • 著者名/発表者名: B. V. Senkovskiy, A. V. Nenashev, S. K. Alavi, Y. Falke, H. M. Hell, P. Bampoulis, D. V. Rybkovskiy, D. Y. Usachov, A. V. Fedorov, A. I. Chernov, F. Gebhard, K. Meerholz, D. Hertel, M. Arita, T. Okuda, K. Miyamoto, K. Shimada, F. R. Fischer, T. Michely, S. D. Baranovskii, K. Lindfors, T. Szkopek, A. Gruneis
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 2542/11p
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22774-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Valence transition of the intermetallic compound Ce2Rh2Ga probed by resonant x-ray emission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Sato, T. Matsumoto, N. Kawamura, K. Maeda, T. Takabatake, A. M. Strydom
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 035113/7p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035113
  • 査読あり
• [雑誌論文] Competition between helimagnetic and ferroquadrupolar ordering in a monoaxial chiral magnet DyNi3Ga9 studied by resonant x-ray diffraction (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukagoshi, T. Matsumura, S. Michimura, T. Inami, S. Ohara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 014428/12p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.014428
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-ordered state and low-dimensional magnetic fluctuations in Yb5Ge4 single crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Michimura, M. Kosaka, A. Machida, R. Numakura, R. Iizuka, S. Katano, Y. Imai, N. Shirakawa, Y. Yamasaki, H. Nakao, H. Sato, S. Ueda, K. Mimura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 044703/12p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.044703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental observation and spin texture of Dirac node arcs in tetradymite topological metals (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Dai, E. Frantzeskakis, N. Aryal, K. W. Chen, F. Fortuna, J. E. Rault, P. Le Fevre, L. Balicas, K. Miyamoto, T. Okuda, E. Manousakis, R. E. Baumbach, A. F. Santander-Syro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 ページ: 196407/6p
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.196407
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kagome-like structure of germanene on Al(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: O. Kubo, S. Kinoshita, H. Sato, K. Miyamoto, R. Sugahara, S. Endo, H. Tabata, T. Okuda, M. Katayama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 085404/6p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.085404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of spin-momentum-layer locking in a centrosymmetric crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Zhang, S. Zhao, Z. Hao, S. Kumar, E. F. Schwier, Y. Zhang, H. Sun, Y. Wang, Y. Hao, X. Ma, C. Liu, L. Wang, X. Wang, K. Miyamoto, T. Okuda, C. Liu, J. Mei, K. Shimada, C. Chen, Q. Liu
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 ページ: 126402/7p
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.126402
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 量子臨界物質YbRh2Si2の硬X線分光理論 (2022)
  • 著者名/発表者名: 雀部矩正, 河端拓, 明渡悠, 阿部晃大, 松本孝之, 下笠諒平, 保井晃, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 松田達磨, 渡辺真仁, 魚住孝幸, 水牧仁一朗, 三村功次郎
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 中性子非弾性散乱によるYbNi3Al9の結晶場状態の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 塚越舜, 松村武, 岸田卓, 伊藤大地, 池田陽一, 藤田全基, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] カイラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)3Al9における磁気抵抗の異方性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 価数揺動物質CeRh3中のCe 4f-5dクーロン斥力：共鳴硬X線光電子分光による研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井角元, 水牧仁一朗, 雀部矩正, 保井晃, 明渡悠, 河端拓, 下笠諒平, 柴垣善則, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 広瀬雄介, 摂待力生, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 共鳴硬X線光電子分光によるEuNi2(P1-xGex)2の電子状態の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上賢太, 田村浩太郎, 井角元, 柴垣善則, 浜原健太, 保井晃, 雀部矩正, 水牧仁一朗, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 光田暁弘, 和田裕文, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 硬X線光電子分光および高分解能蛍光検出X線吸収分光によるEu2Pt6Al15の電子状態の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 後藤田将史, 河村直己, 井角元, 佐藤仁, 上田茂典, 水牧仁一朗, 雀部矩正, 大山耕平, 光田暁弘, 和田裕文, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 光電子分光によるYbCu5-xAlxの電子状態の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤仁, 神尾彬, 神森龍一, 松本拓真, 三村功次郎, 上田茂典, 有田将司, 辻井直人
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 四元系ホイスラー合金Co2Mn(Al,Si)薄膜におけるスピン偏極ワイル分散とハーフメタル性の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 鹿子木将明, 桜庭裕弥, 河野嵩, 後藤一希, 宮本幸治, 宝野和博, 奥田太一, 木村昭夫
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 顕微光電子分光によるBi2Sr2CaCu2O8+dの電子状態の実空間不均一性の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山貴哉, 岩澤英明, 小澤秀介, 尾田拓之慎, 高橋龍之介, 河野嵩, 奥田太一, 宮本幸治, 和達大樹, 石田茂之, 吉田良行, 永埼洋, 木村昭夫
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Evolution of c-f hybridization in valence transition compound YbInCu4 observed by ARPES (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Kamimori, Y. Tanimoto, H. Sato, M. Arita, S. Kumar, K. Shimada, K. T. Matsumoto, K. Hiraoka
  • 学会等名: The 26th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Soft x-ray photoelectron spectroscopy of the metal complex included in cyclodextrin (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Baba, H. Sato, H. Yoshida
  • 学会等名: The 26th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial inhomogeneity in Bi2Sr2CaCu2O8+d investigated by microphotoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sugiyama, H. Iwasawa, H. Oda, R. Takahashi, T. Kono, T. Okuda, K. Miyamoto, H. Wadachi, S. Ishida, Y. Yoshida, H. Eisaki, A. Kimura
  • 学会等名: The 26th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Minority-spin dominated band structure near the Fermi energy of Fe4N film revealed by spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Nakanishi, K. Ohwada, K. Kuroda, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Isogami, K. Masuda, Y. Sakuraba, A. Kimura
  • 学会等名: The 26th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] キラリティ誘起スピン選択のスピン分解光電子分光による観測の試み (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥田太一
  • 学会等名: 第26回HiSOR研究会 ~生体分子の構造機能研究におけるキラル分光の新しい可能性~
  • 招待講演
• [学会発表] Development of micro-focus spin-resolved photoemission spectrometer in VUV-SX region (2022)
  • 著者名/発表者名: Taichi Okuda
  • 学会等名: International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 硬X線光電子分光および高分解能蛍光検出X線吸収分光によるEu2Pt6Al15の電子状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 後藤田将史, 河村直己, 井角元, 佐藤仁, 上田茂典, 水牧仁一朗, 雀部矩正, 大山耕平, 光田暁弘, 和田裕文, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 共鳴硬X線光電子分光でみるEuNi2(P1-xGex)2の価数揺動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上賢太, 田村浩太郎, 井角元, 柴垣善則, 浜原健太, 保井晃, 雀部矩正, 水牧仁一朗, 河村直己, 池永英司, 筒井智嗣, 佐藤仁, 光田暁弘, 和田裕文, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] X線発光分光によるYbCu5-xAlxの電子状態の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤仁, 田中佑, 松本拓真, 前田和大, 辻井直人, 河村直己
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 価数相転移物質YbInCu4の角度分解光電子分光 (2021)
  • 著者名/発表者名: 前田和大, 松本拓真, 田中佑, 佐藤仁, 有田将司, 島田賢也, 松本圭介, 平岡耕一
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] ホイスラー合金Co2MnSi薄膜におけるスピン偏極電子構造の温度依存性の観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 角田一樹, 鹿子木将明, 桜庭裕弥, 増田啓介, 河野嵩, 後藤一希, 宮本幸治, 三浦良雄, 宝野和博, 奥田太一, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] キラル磁性体YbNi3Al9(H||c)におけるコニカル磁気構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松村武, 塚越舜, 上田祥央, 大原繁男, 田中良和
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 低温X線回折によるキラル磁性体DyNi3Ga9の格子歪みの観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塚越舜, 松村武, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] AC magnetoresistance and magnetization of chiral magnets Yb(Ni1-xCux)3Al9 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] キラル磁性体YbNi3Al9薄膜の電界効果による磁性制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石栗拓馬, 西明寺達哉, 宍戸寛明, 中村翔太, 大原繁男, 戸川欣彦
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会