2018 Fiscal Year Annual Research Report
レーザースピン分解ARPESによる薄膜スピン分裂バンド制御
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18J21892
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
野口 亮 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 弱いトポロジカル絶縁体 / トポロジカル絶縁体 / 顕微角度分解光電子分光 / 金属量子井戸状態 / スピン角度分解光電子分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スピン分裂バンド制御を目標とした研究を進めた。
第一に、結晶の構造相転移を利用したスピン分裂バンド制御を考案し、角度分解光電子分光（ARPES）によって擬一次元Bi4I4の電子状態を調べた。Bi4I4はα相では通常の絶縁体である一方で、β相ではトポロジカル表面状態を有すると指摘されていた。これまで、我々はレーザースピン分解ARPESによる電子状態の測定を行い、β相で弱いトポロジカル絶縁体（WTI）の側面に由来すると考えられる擬一次元表面状態を観測していた。そこで、顕微ARPESによる側面の単独測定を行い、側面の周期性に対応するバルクバンドと、バンドギャップ中の表面状態を検出することができた。以上の結果から、β-Bi4I4においてWTI相が実現していることが決定でき、また構造相転移を利用したスピン分裂バンドの制御が可能であることが分かった。観測されたWTI相は、後方散乱の影響を受けにくい新しいデバイスとしての利用が期待されるものである。本研究成果は、Nature誌に出版され、日経新聞にも掲載された。また、第32回放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウムにおいて発表を行い、JSR学生優秀発表賞を受賞した。
第二に、Ag/Au(111)量子井戸状態のスピン分解ARPES測定を行い、銀薄膜におけるスピン分裂の実現を調べた。スピン分解ARPESからスピン分裂の大きさを見積もり、電子状態をモデル計算から考察したところ、スピン分裂は界面に存在する電子の確率密度とほぼ比例しており、界面での電子の存在がスピン分裂において支配的であることが示唆された。第三に、新しい11 eVレーザーを用いた時間分解SARPES装置の立ち上げを進めている。物性研究所小林研究室が開発した高繰り返しの11 eVレーザー光源をARPESチャンバーに接続し、光電子測定が可能であることを確かめた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、制御されたスピン分裂バンドをスピン・角度分解光電子分光（SARPES）によって直接観測する研究が大いに進展した。特に擬一次元ビスマスヨウ化物では、構造相転移によって電子構造が変調されるだけでなく、これまでその電子状態が解明されていなかった弱いトポロジカル絶縁体相が実現することを見出した。これはバンド制御の観点だけでなく、トポロジカル物性の進展から見ても重要な成果である。またAg/Au薄膜においてもスピン分裂バンドの膜厚制御を観測することに成功した。これらの結果は、静的な電子状態におけるスピン分裂バンドの制御の方向性を示したものである。また同時に時間分解SARPES装置の建設も進んでおり、使用予定であるレーザー光源によって光電子測定が可能であることを確かめた。本レーザーを利用することで、フェムト秒領域で電子の状態をスピンまで含めて追跡することが可能になる。この技術とこれまで調べてきたスピン分裂バンド制御の知見を組み合わせることで、超高速領域でのスピン分裂バンド制御手法の確立が可能になる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ag/Au薄膜のスピン分裂バンド制御の研究について、内容をまとめて学術論文誌に投稿する。また、量子井戸を利用した表面バンド制御を進めるために、薄膜の質をさらに向上させて、軌道選択のスピン分解光電子分光を利用して基底状態の理解を深める研究を行う。さらに、時間・スピン・角度分解光電子分光装置の建設を進めて、実際の試料で電子スピンのフェムト秒領域での追跡が可能であることを示す。装置建設が完了したのちは、スピン分裂バンドの光制御の直接観測を目標に測定を進める。構造相転移を利用したバンド制御が可能な物質についても、光による構造転移制御の研究などを行い、様々な手法によってスピン分裂バンド制御を実現していく。
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[Presentation] 高分解能ARPESで調べる様々なトポロジカル相を示す擬一次元ビスマスハライドの電子構造2019
Author(s)
野口亮, 高橋敬成, 黒田健太, C. Bareille, 櫻木俊輔, 國定聡, 黒川輝風, T. Kim, C. Cacho, 辛埴, 笹川崇男, 近藤猛
Organizer
日本物理学会2019年春季大会
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