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論文

Absence of ferromagnetism in MnBi$$_2$$Te$$_4$$/Bi$$_2$$Te$$_3$$ down to 6 K

深澤 拓朗*; 日下 翔太郎*; 角田 一樹; 橋爪 瑞葵*; 一ノ倉 聖*; 竹田 幸治; 出田 真一郎*; 田中 清尚*; 清水 亮太*; 一杉 太郎*; et al.

Physical Review B, 103(20), p.205405_1 - 205405_6, 2021/05

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

We successfully fabricated a MnBi$$_2$$Te$$_4$$/Bi$$_2$$Te$$_3$$ heterostructure by incorporating Mn and Te inside the topmost quintuple layer of Bi$$_2$$Te$$_3$$, as unambiguously confirmed by LEED I-V scanning transmission electron microscopy measurements. The surface-state Dirac cone of the heterostructure showed little change compared to that of the pristine Bi$$_2$$Te$$_3$$ and X-ray magnetic circular dichroism measurements showed that the system was paramagnetic down to 5.6 K. These results are in contrast to the previous works on related materials that showed magnetic order around 10 K as well as theoretical predictions and suggests the intricacy of the magnetic properties of two-dimensional van der Waals magnets.

論文

Ultrafast surface Dirac fermion dynamics of Sb$$_2$$Te$$_3$$-based topological insulators

角田 一樹; 石田 行章*; G$"u$dde, J.*; H$"o$fer, U.*; Shin, S.*; 木村 昭夫*

Progress in Surface Science, 96(2), p.100628_1 - 100628_15, 2021/05

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.08(Chemistry, Physical)

Topological insulators (TIs) characterized by gapless and spin-polarized band dispersion on their surfaces have been extensively studied over the last decade. This article reviews our recent works on ultrafast carrier dynamics of Sb$$_2$$Te$$_3$$-based nonmagnetic and magnetic TIs by utilizing state-of-the-art femtosecond time- and angle-resolved photoelectron spectroscopy. We have demonstrated that the electronic recovery time elongated from a few ps to $$>$$ 400 ps in the series of (Sb$$_{1-x}$$Bi$$_x$$)$$_2$$Te$$_3$$. We also investigated how the magnetic-impurity affects the carrier dynamics in ferromagnetic Sb$$_{2-y}$$V$$_y$$Te$$_3$$. It was found that the electronic recovery time drastically shortened from a few ps to $$<$$ 500 fs with increasing vanadium concentration. Since the lifetime of the nonequilibrated surface Dirac fermions can range from femto- to nano-second, Sb$$_2$$Te$$_3$$-based TIs would be promising for ultrafast spin switching and spin-polarized current generation device applications.

論文

トポロジカル絶縁体の超高速キャリアダイナミクスの観測と光機能化

角田 一樹; 石田 行章*; 木村 昭夫*

日本物理学会誌, 75(12), p.756 - 760, 2020/12

By using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy, we investigate the ultrafast carrier dynamics in the series of (Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$. We show that the electronic recovery time for the surface Dirac fermions is prolonged to $$>$$ 400 ps when the charge neutrality point is approached. We also discuss the emergence of light-induced functionalizations such as surface photovoltage effect in the ultrafast time-domain. Our study strengthens the route toward the Dirac materials to be an opto-spintronic application.

論文

Spin-polarized Weyl cones and giant anomalous Nernst effect in ferromagnetic Heusler films

角田 一樹; 桜庭 裕弥*; 増田 啓介*; 河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 後藤 一希*; Zhou, W.*; 宮本 幸治*; 三浦 良雄*; 奥田 太一*; et al.

Communications Materials (Internet), 1, p.89_1 - 89_9, 2020/11

Weyl semimetals are characterized by the presence of massless band dispersion in momentum space. When a Weyl semimetal meets magnetism, large anomalous transport properties emerge as a consequence of its topological nature. Here, using in-situ spin- and angle-resolved photoelectron spectroscopy combined with ab initio calculations, we visualize the spin-polarized Weyl cone and flat-band surface states of ferromagnetic Co$$_2$$MnGa films with full remanent magnetization. We demonstrate that the anomalous Hall and Nernst conductivities systematically grow when the magnetization-induced massive Weyl cone at a Lifshitz quantum critical point approaches the Fermi energy, until a high anomalous Nernst thermopower of $$sim$$6.2 $$mu$$VK$$^{-1}$$ is realized at room temperature. Given this topological quantum state and full remanent magnetization, Co$$_2$$MnGa films are promising for realizing high efficiency heat flux and magnetic field sensing devices operable at room temperature and zero-field.

論文

Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone

平原 徹*; Otrokov, M. M.*; 佐々木 泰佑*; 角田 一樹*; 友弘 雄太*; 日下 翔太郎*; 奥山 裕磨*; 一ノ倉 聖*; 小林 正起*; 竹田 幸治; et al.

Nature Communications (Internet), 11, p.4821_1 - 4821_8, 2020/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:90.48(Multidisciplinary Sciences)

We fabricate a novel magnetic topological heterostructure Mn$$_{4}$$Bi$$_{2}$$Te$$_{7}$$/Bi$$_{2}$$Te$$_{3}$$ where multiple magnetic layers are inserted into the topmost quintuple layer of the original topological insulator Bi$$_{2}$$Te$$_{3}$$. A massive Dirac cone (DC) with a gap of 40-75 meV at 16 K is observed. By tracing the temperature evolution, this gap is shown to gradually decrease with increasing temperature and a blunt transition from a massive to a massless DC occurs around 200-250 K. Magnetic measurements show that there are two distinct Mn components in the system that corresponds to the two heterostructures; MnBi$$_{2}$$Te$$_{4}$$/Bi$$_{2}$$Te$$_{3}$$ is paramagnetic at 6 K while Mn$$_{4}$$Bi$$_{2}$$Te$$_{7}$$/Bi$$_{2}$$Te$$_{3}$$ is ferromagnetic with a negative hysteresis (critical temperature 20 K). This novel heterostructure is potentially important for future device applications.

論文

Unveiling spin-dependent unoccupied electronic states of Co$$_{2}$$MnGe (Ga) film via Ge (Ga) $$L_{2,3}$$ absorption spectroscopy

吉川 智己*; Antonov, V. N.*; 河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 角田 一樹; 宮本 幸治*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; 後藤 一希*; 桜庭 裕弥*; et al.

Physical Review B, 102(6), p.064428_1 - 064428_7, 2020/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectroscopy were applied at the Ge (Ga) $$L_{2,3}$$ edge to unravel the spin-resolved unoccupied electronic states of Co$$_{2}$$MnGe (Ga). Complicated spectral features were observed in both XAS and XMCD spectra. For their interpretation, we compared the experimental XAS and XMCD spectra with the calculated Ge (Ga) 4$$s$$ and 4$$d$$ orbital partial density of states. The comparison enabled a qualitative explanation of the XMCD spectra as the difference between the majority and minority-spin unoccupied density of states summed over the 4$$s$$ and 4$$d$$ orbitals. Our finding provides a new approach to uncover the spin-split partial density of states above the Fermi level.

論文

Element-specific density of states of Co$$_{2}$$MnGe revealed by resonant photoelectron spectroscopy

河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 吉川 智己*; Wang, X.*; 角田 一樹*; 宮本 幸治*; 室 隆桂之*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; 後藤 一希*; et al.

Physical Review B, 100(16), p.165120_1 - 165120_6, 2019/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:23.94(Materials Science, Multidisciplinary)

Resonant photoelectron spectroscopy at the Co and Mn 2${it p}$ core absorption edges of half-metallic Co$$_{2}$$MnGe has been performed to determine the element-specific density of states (DOS). A significant contribution of the Mn 3${it d}$ partial DOS near the Fermi level ($$E_{F}$$) was clarified by measurement at the Mn 2${it p}$ absorption edge. Further analysis by first-principles calculation revealed that it has $$t_{2g}$$ symmetry, which must be responsible for the electrical conductivity along the line perpendicular to the film plane. The dominant normal Auger contribution observed at the Co 2${it p}$ absorption edge indicates delocalization of photoexcited Co 3${it d}$ electrons. The difference in the degrees of localization of the Mn 3${it d}$ and Co 3${it d}$ electrons in Co$$_{2}$$MnGe is explained by the first-principles calculation.

論文

Magnetic-impurity-induced modifications to ultrafast carrier dynamics in the ferromagnetic topological insulators Sb$$_{2-x}$$V$$_{x}$$Te$$_{3}$$

角田 一樹*; 鹿子木 将明*; Reimann, J.*; Nurmamat, M.*; 後藤 伸一*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Kokh, K. A.*; Tereshchenko, O. E.*; G$"u$dde, J.*; et al.

New Journal of Physics (Internet), 21(9), p.093006_1 - 093006_8, 2019/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:68.62(Physics, Multidisciplinary)

We systematically investigate the magnetic, structural and electronic properties and the ultrafast carrier dynamics in a series of V-doped Sb$$_{2}$$Te$$_{3}$$ samples of composition Sb$$_{2-x}$$V$$_{x}$$Te$$_{3}$$ with x = 0, 0.015 and 0.03. Element specific X-ray magnetic circular dichroism signifies that the ferromagnetism of V-doped Sb$$_{2}$$Te$$_{3}$$ is governed by the p-d hybridization between the host carrier and the magnetic dopant. Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy has revealed that the V impurity induced states underlying the topological surface state (TSS) add scattering channels that significantly shorten the duration of transient surface electrons down to 100 fs scale. This is in a sharp contrast to the prolonged duration reported for pristine samples though the TSS is located inside the bulk energy gap of the host in either magnetic or non-magnetic cases. It implies the presence of a mobility gap in the bulk energy gap region of the host material.

論文

Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V$$_{0.04}$$(Sb$$_{1-x}$$Bi$$_{x}$$)$$_{1.96}$$Te$$_{3}$$

Ye, M.*; Xu, T.*; Li, G.*; Qiao, S.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Zhu, S.-Y.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; 石田 行章*; et al.

Physical Review B, 99(14), p.144413_1 - 144413_7, 2019/04

 被引用回数:8 パーセンタイル:69.34(Materials Science, Multidisciplinary)

We investigate the microscopic origin of ferromagnetism coupled with topological insulators in V-doped (Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$ employing X-ray magnetic circular dichroism and angle-resolved two-photon photoemission spectroscopies, combined with first-principles calculations. We found an magnetic moment at the Te site anti-parallel to that of the V and Sb sites, which plays a key role in the ferromagnetic order. We ascribe it to the hybridization between Te 5${it p}$ and V 3${it d}$ majority spin states at the Fermi energy, consistent with the Zener-type ${it p}$-${it d}$ exchange interaction scenario. The substitution of Bi for Sb suppresses the bulk ferromagnetism by introducing extra electron carriers in the majority spin channel of the Te ${it p}$ states that compensates the antiparallel magnetic moment on the Te site. Our findings reveal important clues to designing magnetic topological insulators with higher Curie temperature that work under ambient conditions.

論文

Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$

Ye, M.*; Li, W.*; Zhu, S.-Y.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Wang, J.*; Pan, H.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; Ji, F.*; et al.

Nature Communications (Internet), 6, p.8913_1 - 8913_7, 2015/11

AA2015-0647.pdf:0.64MB

 被引用回数:42 パーセンタイル:90.49(Multidisciplinary Sciences)

磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体は、量子異常ホール効果や無散逸伝導などの魅力的な現象の発現が予言され、低消費電力スピンデバイスの開発につながっていくものと期待されている。既に、いくつかの磁性添加トポロジカル絶縁体で長距離磁気秩序が確認されている。しかし、量子異常ホール効果の発現は、極低温におけるCrを添加した(Sb,Bi)$$_{2}$$Te$$_{3}$$系に限られており、強磁性の微視的な起源はほとんど分かっていない。そこで、今回、X線磁気円二色性実験による元素選択的研究を行うことにより、本物質系の強磁性は、母体の正孔キャリアーを媒介としたものであり、Crの3d電子とSbやTeのp電子の相互作用が極めて重要であることを明らかにした。この結果は、異常量子ホール素子の実現に向けても重要である。

論文

Spectroscopic evidence of band Jahn-Teller distortion upon martensitic phase transition in Heusler-type Ni-Fe(Co)-Ga ferromagnetic shape-memory alloy films

角田 一樹*; 白井 開渡*; Zhu, S.-Y.*; 谷口 雅樹*; Ye, M.*; 上田 茂典*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Aseguinolaza, I. R.*; Barandiar$'a$n, J. M.*; et al.

Physical Review B, 91(13), p.134417_1 - 134417_6, 2015/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:28.71(Materials Science, Multidisciplinary)

The temperature evolution of the electronic structure of a Ni-Fe(Co)-Ga/MgO(100), Heusler-type, ferromagnetic shape-memory alloy thin film has been followed by a bulk-sensitive hard X-ray photoelectron spectroscopy, element-selective soft X-ray magnetic circular dichroism, and first-principles calculation. The reversible changes of the electronic states near the Fermi energy show a hysteresis associated with the martensitic phase transition (MPT), where the pseudogap opens on cooling and closes again on warming. In addition, the Ni 3d spin magnetic moment increases by approximately two times across the MPT, whereas the change of Fe 3d moment is moderate. By comparing the experimental results with the calculated spin-resolved density of states, we conclude that the band Jahn-Teller effect of Ni 3d and Fe 3d orbitals is responsible for MPT.

口頭

Co$$_2$$MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果の観測

角田 一樹; 桜庭 裕弥*; 増田 啓介*; 河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 後藤 一希*; Zhou, W.*; 宮本 幸治*; 三浦 良雄*; 奥田 太一*; et al.

no journal, , 

異常ネルンスト効果は強磁性体に熱流を流した際に、温度勾配と磁化の外積方向に電場が生じる現象である。これまで、異常ネルンスト効果による熱電能は磁化の大きさに比例すると考えられてきたが、近年、反強磁性体を含むいくつかの磁性材料でこの経験則が破綻していることが明らかになってきた。特に強磁性ホイスラー合金Co$$_2$$MnGaの室温における熱電能は約6.0$$mu$$V/Kに達しており、Feなどの典型的な強磁性体の約10倍の大きさに匹敵する。このような巨異常ネルンスト効果には、フェルミ準位近傍のトポロジカルに非自明な電子構造が重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では、組成比を緻密に制御したCo$$_2$$MnGa薄膜に着目し、スピン・角度分解子電子分光,熱輸送測定,第一原理計算を行うことで異常ネルンスト効果による熱電能と電子構造の対応関係を解明した。

口頭

強磁性Co$$_2$$MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果の観測

角田 一樹; 桜庭 裕弥*; 増田 啓介*; 河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 後藤 一希*; Zhou, W.*; 宮本 幸治*; 三浦 良雄*; 奥田 太一*; et al.

no journal, , 

異常ネルンスト効果は強磁性体に熱流を流した際に、温度勾配と磁化の外積方向に電場が生じる現象である。これまで、異常ネルンスト効果による熱電能は磁化の大きさに比例すると考えられてきたが、近年、反強磁性体を含むいくつかの磁性材料でこの経験則が破綻していることが明らかになってきた。特に強磁性ホイスラー合金Co$$_2$$MnGaの室温における熱電能は約6.0$$mu$$V/Kに達しており、Feなどの典型的な強磁性体の約10倍の大きさに匹敵する。このような巨異常ネルンスト効果には、フェルミ準位近傍のトポロジカルに非自明な電子構造が重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では、組成比を緻密に制御したCo$$_2$$MnGa薄膜に着目し、スピン・角度分解子電子分光,熱輸送測定,第一原理計算を行うことで異常ネルンスト効果による熱電能と電子構造の対応関係を解明した。

口頭

Co$$_2$$MnGa薄膜におけるスピン偏極ワイル分散と巨大異常ネルンスト効果

角田 一樹; 桜庭 裕弥*; 増田 啓介*; 河野 嵩*; 鹿子木 将明*; 後藤 一希*; Zhou, W.*; 宮本 幸治*; 三浦 良雄*; 奥田 太一*; et al.

no journal, , 

異常ネルンスト効果は強磁性体に熱流を流した際に、温度勾配と磁化の外積方向に電場が生じる現象である。これまで、異常ネルンスト効果による熱電能は磁化の大きさに比例すると考えられてきたが、近年、反強磁性体を含むいくつかの磁性材料でこの経験則が破綻していることが明らかになった。特に強磁性ホイスラー合金Co$$_2$$MnGaの室温における熱電能は約6.0$$mu$$V/Kに達しており、Feなどの典型的な強磁性体の約10倍の大きさに匹敵する。このような巨大異常ネルンスト効果には、フェルミ準位近傍のトポロジカルに非自明な電子構造が重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では、異常ネルンスト効果による熱電能と電子構造の対応関係を明らかにするため、組成比を緻密に制御したCo$$_2$$MnGa薄膜に対してスピン・角度分解光電子分光,熱輸送測定,第一原理計算を行った。その結果、フェルミ準位近傍にスピン偏極した複数のワイルコーンが存在していることが実験的に明らかとなった。第一原理計算との比較により、これらのワイルコーンが波数空間上で巨大な仮想磁場(ベリー曲率)を生み出す源となっていることを突き止め、電子構造と熱電能の対応関係を明らかにした。

口頭

光電子分光による機能性材料の電子状態観測

角田 一樹

no journal, , 

光電子分光(Photoemission spectroscopy)法は、固体の電子状態を調べる強力な実験ツールとして広く普及している。本講演では、放射光やレーザーなどの高輝度光源を用いた光電子分光法の基礎を紹介し、光電子分光によってどのような情報が得られるかを解説する。また講演の後半では、実際の材料研究の例や、時間分解光電子分光などの最先端の光電子分光法についても紹介する予定である。

口頭

ホイスラー合金Co$$_2$$MnSi薄膜におけるスピン偏極電子構造の温度依存性の観測

角田 一樹; 鹿子木 将明*; 桜庭 裕弥*; 増田 啓介*; 河野 嵩*; 後藤 一希*; 宮本 幸治*; 三浦 良雄*; 宝野 和博*; 奥田 太一*; et al.

no journal, , 

Co$$_2$$MnSiは少数スピン状態にギャップが開いており、多数スピンのみが伝導に寄与するハーフメタル強磁性体であることが理論的に予測されている。実際、Co$$_2$$MnSiを用いたトンネル磁気抵抗素子では2000%もの巨大な出力が報告されている。しかし、巨大磁気抵抗比は低温でのみ観測されており、室温では出力が300%程度に低下することが問題となっている。室温における性能低下の要因は、電子間相互作用に起因した多体効果や熱励起マグノンによる影響などいくつか理論的モデルが提唱されているが、低温から室温までのスピン偏極率を調べる実験手法が限られることから、有限温度におけるスピン偏極率低下のメカニズムは未解明のままである。本研究では、Co$$_2$$MnSi薄膜についてスピン・角度分解光電子分光を行い、バンド分散およびスピン偏極率の温度変化を詳細に追跡した。フェルミ準位近傍ではハーフメタル性を担うバルクバンドと、スピン偏極した表面バンドが混在していることが明らかとなった。また、スピン偏極率は温度の上昇に伴って低下しており、マグノンの熱励起を記述するブロッホの$$T^{3/2}$$則によって現象をよく説明できることが明らかになった。

口頭

軟X線磁気円二色性で探る単層VSe$$_2$$薄膜の磁性

角田 一樹; 竹田 幸治; 日下 翔太郎*; 小林 功佳*; 平原 徹*

no journal, , 

単層VSe$$_2$$は、二次元ファンデルワールス原子層物質の一種であり、2018年に室温以上のキュリー温度を有する強磁性体であることが報告された。しかし室温強磁性の発見直後に行われた角度分解光電子分光(ARPES)実験では、低温においても強磁性秩序を特徴づける交換分裂が観測されておらず、単層VSe$$_2$$における強磁性秩序の有無については未だに議論が続いている。通常の磁化測定では薄膜と基板の双方からのシグナルを検出してしまうためVSe$$_2$$の本質的な磁気特性を引き出すことは難しい。一方、放射光を利用したX線磁気円二色性(XMCD)は元素選択的なプローブであるため、上記の論争を解決する可能性を秘めている。本研究では、単層VSe$$_2$$の磁気特性を明らかにすることを目的にARPES、第一原理計算、XMCDを行った。その結果、磁場下で単層VSe$$_2$$からの明瞭なXMCDシグナルを検出することに成功した。また、温度依存XMCDにより、6Kにおいても長距離強磁性秩序は存在しないことが明らかになった。しかし、隣接するVイオン間には短距離の強磁性相互作用が存在しており、単層VSe$$_2$$が強磁性秩序を示す寸前の物質であることを明らかにした。

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