カイラル金属磁性とフェルミ面のスピン分裂

2022 年度 実績報告書

• 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た．
フラックス法で育成したYb(Ni1-xCux)3Al9(x=0,0.06)について，励起光hn=24 eVで角度分解光電子分光(ARPES)を行い，表面ブリルアンゾーンGamma点周りに5枚のホール的フェルミ面と，M点周りに1枚の電子的フェルミ面が存在することを明らかにした．入射光の偏光を切り替えて測定を行い，特にs偏光配置で，バルクの3回対称を反映したフェルミ面を得た．両者で本質的に同様な形状のフェルミ面が観測されたが，Cu置換試料でフェルミ面が小さくなることが分かった．これは，NiをCuに置換したことで電子がドープされたことを反映している．hn=30~130 eVの広い範囲でARPESを実施し，kz分散の周期性より内部ポテンシャルを約17 eVと決定した．またhn=78 eVで測定したARPESスペクトルにディラック錐状のバンドの存在を見出した．YbNi3Al9についてhn=24 eV，s偏光配置でスピン分解ARPESを行ったところ，最も明瞭に観測されるホールバンドに約30 meVのスピン分裂を観測した．

研究成果

• [雑誌論文] Variation of strong correlation effects in A-site ordered perovskites CaCu3Ti4-xRuxO12: Photoemission and inverse photoemission studies (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Im, M. Iwataki, M. Tsunekawa, T. Watanabe, H. Sato, M. Nakatake, S.-i. Kimura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 044701/4p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.044701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal field excitation in the chiral helimagnet YbNi3Al9 (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukagoshi, S. Kishida, K. Kurauchi, D. Ito, K. Kubo, T. Matsumura, Y. Ikeda, S. Nakamura, S. Ohara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 104425/8p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.104425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoemission spectroscopy study on the heavy-fermion compound YbAgCu4 (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Anzai, R. Tawara, Y. Kikuchi, H. Sato, M. Arita, R. Takaaze, K. T. Matsumoto, K. Hiraoka
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 114703/6p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.114703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valence transitions in Yb1+xIn1-xCu4 studied by high-resolution x-ray absorption spectroscopy, x-ray diffraction, and photoelectron spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Yamaoka, S. Yamanaka, A. Ohmura, N. Tsujii, J. Valenta, Y. Furue, H. Sato, H. Ishii, N. Hiraoka, C. Michioka, H. Ueda, K. Yoshimura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 124701/10p
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.124701
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Distinct Tamm and Shockley surface states on Re(0001) mixed by spin-orbit interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Holtmann, P. Kruger, K. Miyamoto, T. Okuda, P. J. Grenz, S. Kumar, K. Shimada, M. Donath
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: L241412/6p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L241412
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Erratum: 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: 099902/1p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.099902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic study of electronic states of Ln(O,F)BiS2 by spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: S.-L. Wu, K. Yaji, Y. Ota, A. Harasawa, S. Shin, T. Imai, K. Miyamoto, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, X. Ma, H. Yang, Y. Cai, L. Zhao, X. Zhou, T. Okuda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 104511/9p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.104511
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Metal-insulator transition in CuIr2S4 observed by Cu Ka resonant x-ray emission spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Sato, T. Matsumoto, K. Maeda, Y. Taguchi, N. Kawamura, H. Ishibashi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 155151/8p
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.155151
  • 査読あり
• [雑誌論文] Domain dependent Fermi arcs observed in a striped phase dichalcogenide (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Mizokawa, A. Barinov, V. Kandyba, A. Giampietri, R. Matsumoto, Y. Okamoto, K. Takubo, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Pyon
  • 雑誌名: Advanced Quantum Technologies 巻: 5 ページ: 2200029/9p
  • DOI: 10.1002/qute.202200029
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [学会発表] スピン分解ARPESによる超薄膜Sb/Bi/Si(111)ヘテロ構造の電子スピン状態 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿部浩子, 有田将司, 宮本幸治, 奥田太一, 高山あかり
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] キラル磁性体YbNi3Al9の結晶場状態の決定と物性の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 塚越舜, 岸田卓, 倉内憲伸, 伊藤大地, 久保光野, 松村武, 池田陽一, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] アシンメトリ量子を視る(実験) (2023)
  • 著者名/発表者名: 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [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高調波応答 (2023)
  • 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2023年春季大会
• [学会発表] 新物質Sm4Pt9Al24の傾角反強磁性秩序 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鈴木大斗, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Spiral electronic structure of chiral crystal NbSi2 (2023)
  • 著者名/発表者名: 張成, 宮本幸治, 獅子堂達也, 天野凌我, 佐用大晴, 島田千穂, 高阪勇輔, M. Weinert, 戸川欣彦, 奥田太一
  • 学会等名: 第36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] 価数揺動Ce, Yb系の光学伝導度が示す対照的な圧力応答と電子正孔対称性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡村英一, Eric D. Bauer, 大原繁男, 大貫惇睦, 池本夕佳, 森脇太郎
  • 学会等名: 第36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] カイラル金属磁性体Yb(Ni1-xCux)3Al9の角度分解光電子分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷元優希美, 神森龍一, 杉本光昌, 佐藤仁, 有田将司, Shiv Kumar, 島田賢也, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 第36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] Ce系金属間化合物Ce2Rh2GaのX線発光分光 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤仁, 松本拓真, 前田和大, 田中佑, 河村直己, 高畠敏郎, Andre M. Strydom
  • 学会等名: 第36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] X線分光法によるEuBe13中のEu3+ 4f電子の熱励起に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 浜原健太, 井角元, 田村浩太郎, 柴垣善則, 川端拓, 河村直己, 水牧仁一朗, 雀部矩正, 佐藤仁, 上田茂典, 日高宏之, 網塚浩, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 第36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] X線分光法でみるEu2Pt6Al15の温度誘起価数転移 (2023)
  • 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36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] Investigating the possibility of creating a "pure" p-type Bi2Se3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Higuchi, R. Itaya, M. Tomita, H. Saito, K. Suzuki, H. Sato, K. Sato, K. Sakamoto
  • 学会等名: The 27th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of electron structure of chiral magnet Yb(Ni1-xCux)3Al9 by ARPES (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanimoto, M. Sugimoto, R. Kamimori, H. Sato, M. Arita, S. Kumar, K. Shimada, S. Nakamura, S. Ohara
  • 学会等名: The 27th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 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, K. Miyamoto, T. Shishidou, R. Amano, T. Sayo, C. Shimada, Y. Kousaka, M.l Weinert, Y. Togawa, T. Okuda
  • 学会等名: The 27th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Perpendicular Anisotropy in FeCo Alloy Films Covered with oxygen for development of multi spin detecting target (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Kunitomo, K. Miyamoto, T. Okuda
  • 学会等名: The 27th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
  • 国際学会
• [学会発表] Angle-resolved photoelectron spectroscopy of Yb(Ni1-xCox)3Ga9 (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Utsumi Boucher, D. Mondal, J. Fujii, I. Vobornik, S. Nakamura, D. Matkovic-Calogovic, S. Ohara
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Band structure of ferromagnetic Fe4N thin-film revealed by spin- and angle- resolved photoelectron spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Nakanishi, K. Ohwada, K. Kuroda, K. Sumida, H. Sato, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Isogami, K. Masuda, Y. Sakuraba, A. Kimura
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Minority-spin dominated band structure of Fe4N thin films revealed by spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Nakanishi, K. Ohwada, K. Kuroda, K. Sumida, H. Sato, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Isogami, K. Masuda, Y. Sakuraba, A. Kimura
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] X線分光法によるEuBe13中のEu3+ 4f電子の熱励起に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 浜原健太, 井角元, 田村浩太郎, 柴垣善則, 川端拓, 河村直己, 佐藤仁, 上田茂典, 水牧仁一朗, 日高宏之, 網塚浩, 魚住孝幸, 三村功次郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] X線分光法による温度誘起価数転移物質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: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 角度分解光電子分光による価数相転移物質YbInCu4におけるc-f混成の変化の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 神森龍一, 谷元優希美, 佐藤仁, 有田将司, Shiv Kumar, 島田賢也, 松本圭介, 平岡耕一
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Fe3Ga薄膜のスピン分極バンド構造の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大和田清貴, 中西楓恋, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一, 周偉男, 佐々木泰祐, 磯上慎二, 増田啓介, 桜庭裕弥, 木村昭夫
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] HiSORにおけるレーザー顕微スピン分解光電子分光装置の現状 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩田拓万, 西岡幸美, 大和田清貴, 岩澤英明, 有田将司, 木村昭夫, 黒田健太, 宮本幸治, 奥田太一
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] カイラル構造を持つNbSi2の電子構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮本幸治, 天野凌我, Chen Zhang, 佐用大晴, 島田千穂, 高阪勇輔, M. Weinert, 獅子堂達也, 戸川欣彦, 奥田太一
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] コバルト置換によるカイラル物質GdNi3Ga9の磁気相図の変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大橋一諒, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 重い電子系物質Ce2Pt6Al15の単結晶育成と電子物性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鈴木大斗, 山本理香子, 鬼丸孝博, 漆原大典, 中村翔太, 大原繁男
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] YbNi3Ga9の圧力誘起磁気秩序の探索－高圧下共鳴X線回折実験－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 塚越舜, 倉内憲伸, 松村武, 石松直樹, 大原繁男, 田中良和
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 希土類カイラル磁性体における磁性の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大原繁男
  • 学会等名: ISSP ワークショップ「カイラル物質科学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] アシンメトリ量子物質をどう作るか -ハニカム磁性体の探査- (2022)
  • 著者名/発表者名: 大原繁男
  • 学会等名: 第1回アシンメトリ量子研究会
  • 招待講演