電子状態スペクトロスコピー研究チーム

主宰者

主宰者名 石坂 香子 Kyoko Ishizaka
学位 博士(工学)
役職 チームリーダー
略歴
2004 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 博士課程修了
2004 東京大学物性研究所 助手
2010 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 准教授
2014 東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター 准教授
2016 理化学研究所 創発物性科学研究センター 電子状態スペクトロスコピー研究チーム チームリーダー(現職)
2018 東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター 教授(現職)

研究室概要

当チームでは、多様な量子物性や機能を示す物質における電子状態の解明を目指した実験を行っている。電子のエネルギー、運動量、スピンを分解して測定することができる数少ない手法であるスピン角度分解光電子分光を駆使することにより、超伝導体や熱電材料をはじめとする新物質の理解や強相関電子系における多体効果、トポロジカルな量子状態の解明などを推進する。また、パルスレーザーを用いた超高速時間分解電子顕微鏡による非平衡状態の時空間構造計測など、磁気・格子・電荷テキスチャーを持つ強相関物質やナノ物質、デバイスなどを対象とした新しい計測手法の開発にも取り組んでいる。

研究分野

物理学、材料科学

キーワード

超高速時間分解電子顕微鏡
光電子分光
強相関電子系
超伝導
トポロジカル物質

研究紹介

鉄系超伝導体における超高速ネマティック電子励起の実時間計測

電子の回転対称性が自発的に破れた液晶的な量子状態として、電子ネマティック相が注目されている。鉄系や銅酸化物の高温超伝導体では、ネマティック秩序やそのゆらぎが超伝導発現において重要な役割を果たす可能性が示唆されている。しかし、これまでの研究は主に熱平衡下での実験に限られており、ネマティック固有の励起やダイナミクスは結晶格子との結合により凍結し、いまだ観測できていない。我々はフェムト秒光パルスにより鉄系超伝導体FeSeの電子ネマティック状態を撹乱し、時間、エネルギー、運動量、軌道を分解可能な光電子分光測定により、電子系の超高速ダイナミクスを検出した。楕円型フェルミ面の異方性を直接観察することにより、強励起時にはネマティシティが急速に消失した後に減衰振動する様子が観測された。この短寿命のネマティック振動は、Fe 3dのxzとyz軌道成分の不均衡とも対応しており、励起光強度の関数として閾値的振る舞いを示す。このようなリアルタイム観察により、格子から切り離された電子ネマティック励起の性質が明らかになった。

図

時間分解角度分解光電子分光(左上)、フェルミ面過渡応答の模式図(左下)および得られたフェルミ波数の超高速時間変化(右)

 

超伝導体の表面におけるトポロジカルな電子状態の観測

近年、表面に特殊な電子構造(トポロジカル表面状態)をもつトポロジカル物質が注目を集めている。トポロジカル表面状態においては、質量ゼロのディラック電子が出現するとともにその電子スピンの向きが電子の運動量に垂直な方向に分極しており、バルク(固体内部)とは全く異なる電気的磁気的機能の創出が期待されている。このため、絶縁体、金属、超伝導をはじめとする多様な性質を持つトポロジカル新物質の探索が精力的に行われている。我々はスピン分解・角度分解光電子分光法により、大きなスピン軌道相互作用を持つ超伝導体PdBi2の固体内部と表面における電子バンド構造とスピン分極をそれぞれ詳細に観測することに成功した。この超伝導体の表面において、トポロジカル絶縁体とよく類似したスピン分極を持つ表面バンドが実現することを実験的に明らかにするとともに、第一原理計算で波動関数を解析することによりこのバンドがトポロジカル表面状態であることを証明した。今後は超伝導凝縮状態における表面状態の観測を行うとともに、さらなる新物質の探索を目指す。

図

スピン分解角度分解光電子分光により得られたバンド構造(左、中)およびスピン分極(右)

メンバー一覧

石坂 香子 Kyoko Ishizaka

チームリーダー kyoko.ishizaka[at]riken.jp R

下志万 貴博 Takahiro Shimojima

上級研究員

中村 飛鳥 Asuka Nakamura

特別研究員

三石 夏樹 Natsuki Mitsuishi

特別研究員

坂野 昌人 Masato Sakano

客員研究員

主要論文

  1. T. Shimojima, A. Nakamura, X. Yu, K. Karube, Y. Taguchi, Y. Tokura, and K. Ishizaka

    Nano-to-micro spatiotemporal imaging of magnetic skyrmion’s life cycle

    Sci. Adv. 7, (2021)
  2. A. Nakamura, T. Shimojima, Y. Chiashi, M. Kamitani, H. Sakai, S. Ishiwata, H. Li, and K. Ishizaka

    Nanoscale Imaging of Unusual Photoacoustic Waves in Thin Flake VTe2

    Nano Lett. 20, 4932 (2020)
  3. N. Mitsuishi, Y. Sugita, M. S. Bahramy, M. Kamitani, T. Sonobe, M. Sakano, T. Shimojima, H. Takahashi, H. Sakai, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Taguchi, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ishiwata, Y. Motome, and K. Ishizaka

    Switching of band inversion and topological surface states by charge density wave

    Nat. Commun. 11, 2466 (2020)
  4. T. Shimojima, Y. Suzuki, A. Nakamura, N. Mitsuishi, S. Kasahara, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Y. Ishida, S. Shin, and K. Ishizaka

    Ultrafast nematic-orbital excitation in FeSe

    Nat. Commun. 10, 1946 (2019)
  5. A. Nakamura, T. Shimojima, M. Matsuura, Y. Chiashi, M. Kamitani, H. Sakai, S. Ishiwata, H. Li, A. Oshiyama, and K. Ishizaka

    Evaluation of photo-induced shear strain in monoclinic Vte2 by ultrafast electron diffraction

    Appl. Phys. Express 11, 092601 (2018)

研究紹介記事