強磁性体と接合したトポロジカル絶縁体のスピン電子構造の解明

阐明连接到铁磁体的拓扑绝缘体的自旋电子结构

• 批准号: 12J07179
• 负责人: 黒田 健太
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Hiroshima University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J07179/
• 关键词: トポロジカル絶縁体; ビスマスセレナイド; 時間反転対称性; スピン分解光電子分光; ディラック電子; 偏光依存; グラフェン; 光電子分光

昨年度、スピン角度分解光電子分光を用いてトポロジカル絶縁体におけるディラック表面電子状態の磁場に依存した(時間反転対称性の破れた)スピン電子構造を解明するために、高効率スピン偏極検出器を用いた放射光スピン角度分解光電子分光装置の開発を広島大学放射光科学研究センターで行った。そこで本年度では、開発したその装置を用いてトポロジカル絶縁体ビスマスセレナイドにおける時間反転対称性の破れたデラック表面電子状態のスピン電子構造の完全決定を行った。まず、円偏光の励起光を試料に照射する事で時間反転対称性の破れたスピン偏極度に注目した。この場合、円偏光のヘリシティを外部磁場とみなす事ができる。また、放射光の最大の利点であるエネルギー可変性を十二分に活用する事により、光電効果における終状態効果まで詳細に測定を行った。直線偏光を用いた測定では、ディラック電子状態から放出された光電子のスピン偏極度は時間反転対称性を持った始状態のスピン電子構造を大きく反映する事がわかった。それに対して、円偏光を用いた場合、観測されるスピン偏極度は明らかに時間反転対称性を破っており、直線偏光の結果と大きく異なる。この偏光依存性は光電子のスピン偏極度が円偏光のヘリシティにより励起された事に起因している。また、この円偏光依存性は励起光のエネルギーに強く依存する事がわかった。これらの結果から、円偏光照射により表面にスピン偏極した光電流を創出できる事、さらに選択的にその電子スピンを励起できる事を示している。これらの点で本研究は、光により、電流、スピンを同時に制御したオプトスピントロニクスの実現に向けて重要な知見を与える。

去年，我们使用高效自旋偏振探测器，利用自旋角分辨光电子能谱A同步辐射，阐明了拓扑绝缘体中狄拉克表面电子态的磁场依赖性（时间反转对称性破缺）自旋电子结构。自旋角分辨光电子能谱仪是由广岛大学同步辐射研究中心开发的。因此，今年，我们利用所研制的装置，彻底测定了拓扑绝缘体硒化铋中时间反转对称性破缺的德拉克表面电子态的自旋电子结构。首先，通过用圆偏振激发光照射样品，我们关注了时间反转对称性破缺的自旋偏振。在这种情况下，圆偏振光的螺旋度可以被视为外部磁场。此外，我们充分利用同步辐射的最大优势——能量可变性，对光电效应中的终态效应进行了详细的测量。使用线偏振光的测量表明，狄拉克电子态发射的光电子的自旋偏振很大程度上反映了起始态的自旋电子结构，具有时间反演对称性。另一方面，当使用圆偏振光时，观察到的自旋偏振明显违反时间反转对称性，并且与线偏振光的结果显着不同。这种偏振依赖性是由于光电子的自旋偏振是由圆偏振光的螺旋性激发的。还发现这种圆偏振依赖性强烈依赖于激发光的能量。这些结果表明，通过圆偏振光照射可以在表面产生自旋偏振光电流，并且还可以选择性地激发电子自旋。在这些方面，这项研究为实现光自旋电子学提供了重要的知识，光自旋电子学利用光同时控制电流和自旋。

项目成果

非層状物質三元トポロジカル絶縁体TIBiSe_2の壁開最表面の決定

非层状材料三元拓扑绝缘体TIBiSe_2最外表面的测定

• 发表时间: 2013
• 作者: 黒田健太;叶茂;M. Nurmamat;白井開渡;岡本和晃;仲武昌史;上田茂典;宮本幸治;奥田太一;生天目博文;谷口雅樹;植田義文;木村昭夫
• 通讯作者: 木村昭夫

Bulk carrier manipulation of ideal topological insulator T1BiSe_2 into reversible spin current regime

理想拓扑绝缘体 T1BiSe_2 的体载流子操纵进入可逆自旋电流状态

• 发表时间: 2013
• 作者: 黒田健太;叶茂;M. Nurmamat;白井開渡;岡本和晃;仲武昌史;上田茂典;宮本幸治;奥田太一;生天目博文;谷口雅樹;植田義文;木村昭夫;Kenta Kuroda
• 通讯作者: Kenta Kuroda