【研究成果】「存在しないと思われていた電子のスピンを世界で初めて発見」 ― ビスマス表面に隠れていた電子の動き?性質を解明 ―

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【研究成果】「存在しないと思われていた電子のスピンを世界で初めて発見」 ― ビスマス表面に隠れていた電子の動き?性質を解明 ―

【研究成果】「存在しないと思われていた電子のスピンを世界で初めて発見」 ― ビスマス表面に隠れていた電子の動き?性質を解明 ―

本研究成果のポイント

これまで、结晶の性质から「存在しない」と考えられていた电子のスピンの偏りを、世界で初めて観测しました。
実験と第一原理计算(※1)を组み合わせることで、スピンの偏りは消えていたのではなく、电子の波どうしが打ち消し合う「量子干渉」によって见えなくなっていただけであることが分かりました。
本研究は、量子状態の観測方法に新しい視点を与えるとともに、電子の「電気」と「スピン」の両方を利用して情報を処理する技術であるスピントロニクスや量子材料の研究や省エネルギーな次世代電子デバイスの開発につながることが期待されます。

概要

　広島大学放射光科学研究所の奥田太一教授らの研究グループは、米国ウィスコンシン大学ミルウォーキー校との共同研究により、ビスマス(元素記号：Bi 原子番号：83)という金属元素が、原子の並び方が規則正しく整った状態であるビスマス(Bi)結晶の(110)表面に存在する電子状態を、スピン?角度分解光電子分光(Spin-ARPES)(※2)を用いて詳細に観測しました。
　その结果、结晶対称性(※3)から本来は打ち消し合って消失するはずと考えられていたスピン偏极(※4)が、実际には大きく残っていることを発见しました。
　さらに第一原理计算との比较により、このビスマスの电子状态の中ではもともと逆向きのスピン偏极をもつ二つの波が存在し、それらが互いに打ち消し合う(量子干渉(※5))ことで、见かけ上はスピン偏极が存在しないように见えていることが分かりました。光电子分光ではこの二つの波动関数(※6)の一方が选択的に観测されることを発见し、その结果、この量子干渉によって隠されていたスピン偏极の存在を世界で初めて明らかにしました。
　本研究は、物质の中に隠れた电子の性质を调べる新しい视点を示すものであり、今后の量子材料研究やスピントロニクス材料の开発につながることが期待されます。
　本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に7月28日に掲載されました。

论文情报

論文タイトル：Unveiling the hidden spin-polarized Bi(110) surface states by spin-resolved photoemission
掲载日：7月28日
着者名：*奥田太一^1,2,3 , 獅子堂達也⁴, Munisa Nurmamat¹, 角田一樹¹, Eike Schwier¹, 宮本幸治¹, Michael Weinert⁴(*责任着者)
所属：¹広岛大学放射光科学研究所、²広岛大学持続可能性に寄与する超物质拠点(奥笔滨-厂碍颁惭2)、³広岛大学半导体研究所、⁴米国ウィスコンシン大学ミルウォーキー校
掲載誌：Physical Review Letters
ＤＯＩ：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1103/3惫蝉9-4测1测

背景

　电子は「电荷」だけでなく、「スピン」と呼ばれる磁石のような性质を持っています。近年、このスピンを利用するスピントロニクスは、低消费电力电子デバイスを実现する技术として期待されています。
　スピン轨道相互作用(※6)が强いビスマスでは、表面にスピン偏极した电子状态が现れることが知られています。しかし、そのスピンの向きは结晶の対称性によって厳しく制限され、一部の対称性の高い场所では、面に垂直なスピン成分は必ずゼロになると考えられてきました。
　ところが、このスピンがゼロになる状态は、本当にスピンが存在しないのか、それとも别の理由で见えなくなっているだけなのかは、これまで分かっていませんでした。

研究成果の内容

　研究グループは、広岛大学放射光科学研究所(贬颈厂翱搁)の高性能スピン?角度分解光电子分光装置を用いて、叠颈(110)表面の电子スピンを叁次元的に测定しました。
　その结果、结晶対称性からゼロになるはずの面直方向スピン偏极が、运动量空间の対称性の高い场所でも観测されることがあることを初めて确认しました。
　この结果を理解するため、第一原理电子状态计算に波动関数アンフォールディング法(※7)を适用したところ、ビスマスの持つ二つの表面电子状态のうちの一つは、互いに逆向きへ伝搬する二つの波动関数から构成され、それぞれが反対向きの面直スピン偏极を持つことが分かりました。
　しかし、通常は対称性の高い场所ではこれら二つの波が量子干渉を起こすことでスピン偏极は完全に打ち消され観测されません。ところが、光电子分光では光电子の放出过程により、その二つの波の一方だけが选択的に観测されるため、本来は打ち消しあってしまい観测できないはずの隠れたスピン偏极が现れることが明らかになりました。
　この现象は、逆位相の二つの音波を通常のマイクで测ると音が打ち消し合って闻こえませんが、指向性マイクで片方だけを拾うと音が闻こえることによく似ています。本研究では、この量子力学的な现象を世界で初めて実験的に実証し、「そこにはスピンの偏りは存在しない」と考えられていた状态が、実际には上向きスピンと下向きスピンをもつ电子の波の状态が重なり合い、完全に打ち消し合う「量子干渉」によって隠されている状态だったことを発见しました。

今后の展开

　今回の成果は、従来の结晶対称性だけでは理解できなかった电子スピンの振る舞いを、「波动関数の量子干渉」という観点から理解できることを示しました。この考え方は、ビスマスだけでなく、强いスピン轨道相互作用を持つ様々な量子材料にも适用できる可能性があります。また、スピン?角度分解光电子分光によって従来は観测できないと考えられていた电子状态を可视化できる可能性を示しており、新しい量子材料やスピントロニクス材料の研究に大きく贡献することが期待されます。

図1　波动関数の量子干渉とスピーカーからの音の波の干渉の様子。2台のスピーカーから出たそれぞれ逆位相の波(音)は中央で干渉して波が消灭する(音が消える)。ビスマス表面にある电子の波(波动関数)は右に行く波と左に行く波では上向きと下向きの异なるスピンを持っているが、それぞれが干渉(量子干渉)すると打ち消しあってスピン偏极はゼロになる。しかし、光电子分光で右に行く波と左に行く波を别々に観测すると、干渉前のスピン上向きの波とスピン下向きの波が别々に観测された。このことからビスマス表面のスピンが観测されないところにも隠れたスピン偏极状态が存在しており、波动関数の干渉によりスピンが见かけ上见えていないだけであることが初めて明らかになった。

用语解説

＊1．第一原理计算
　実験をしなくても、物质の中で电子がどのように动くかを、物理法则だけを使ってコンピューターで计算する方法です。
＊2．スピン?角度分解光电子分光(厂辫颈苍-础搁笔贰厂)
　物质に光を当てると、光电効果によって物质内部の电子が放出されます。このとき、散乱を受けなかった电子はエネルギー保存则に従って物质内部の电子状态の情报を保ったまま放出されます。角度分解光电子分光は、放出された电子の运动エネルギーと放出角度を解析することで、固体内部の电子の束缚エネルギーと运动量の関係、つまりバンド分散を直接観测できる手法です。さらにスピン検出器を加えることで、电子の运动エネルギーと运动量だけでなく电子スピンも分离して観测できるため、磁性体の详细な电子构造を调べることができます。本研究では広岛大学放射光科学研究所で独自开発された低速电子线回折(痴尝贰贰顿)型スピン検出器を用いて测定を行なっています。
＊3．结晶対称性
　结晶を回転したり镜に映したりしても元と区别がつかない性质のことです。この対称性は电子状态の性质を强く制限し、特定の场所ではスピン偏极がゼロになることが理论的に导かれます。
＊4．スピン偏极
　电子のスピンが一方向に偏っている状态のことです。上向きと下向きのスピンの数が等しいとスピン偏极はゼロになり、どちらかが多いと有限のスピン偏极を持ちます。
＊5．波动関数と量子干渉
　量子力学では、电子は粒子であると同时に波としての性质を持っており、その状态は「波动関数」と呼ばれるもので表されます。二つ以上の波动関数が重なると、波と同じように强め合ったり打ち消し合ったりする现象が起こり、これを「量子干渉」と呼びます。本研究では、逆向きのスピン偏极をもつ二つの波动関数が量子干渉によって互いに打ち消し合うことで、见かけ上はスピン偏极が存在しないように见えること、さらに光电子分光によってそれぞれの波动関数を选択的に観测することで、本来隠れていたスピン偏极を明らかにしました。
＊6．スピン轨道相互作用
　电子の运动とスピンが相互作用する量子力学的な効果です。この効果が强いと电子のスピンが运动方向と强く结び付き、特徴的な电子状态が现れます。
＊7．波动関数アンフォールディング法
　物质中の电子は、结晶の周期构造に従って波として広がっています。波动関数アンフォールディング法は、复雑に重なり合った电子の波动関数を、もとの波の成分に分けて解析する手法です。本研究では、この手法を用いることで、一つの电子状态が逆方向へ进む二つの波动関数から构成され、それぞれが反対向きのスピン偏极を持つことを明らかにしました。