Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi

大塚 悠介*; 金澤 直也*; 平山 元昭*; 松井 彬*; 野本 拓也*; 有田 亮太郎*; 中島 多朗*; 花島 隆泰*; Ukleev, V.*; 青木 裕之; et al.

Science Advances (Internet), 7(47), p.eabj0498_1 - eabj0498_9, 2021/11

https://doi.org/10.1126/sciadv.abj0498

FeSi is a nonmagnetic narrow-gap insulator, exhibiting peculiar charge and spin dynamics beyond a simple band structure picture. Those unusual features have been attracting renewed attention from topological aspects. Although the surface conduction was demonstrated according to size-dependent resistivity in bulk crystals, its topological characteristics and consequent electromagnetic responses remain elusive. Here, we demonstrate an inherent surface ferromagnetic-metal state of FeSi thin films and its strong spin-orbit coupling (SOC) properties through multiple characterizations of two-dimensional conductance, magnetization, and spintronic functionality. Terminated covalent bonding orbitals constitute the polar surface state with momentum-dependent spin textures due to Rashba-type spin splitting, as corroborated by unidirectional magnetoresistance measurements and first-principles calculations. As a consequence of the spin-momentum locking, nonequilibrium spin accumulation causes magnetization switching. These surface properties are closely related to the Zak phase of the bulk band topology. Our findings propose another route to explore noble metal-free materials for SOC-based spin manipulation.

Development of an isotope analysis method based on diode laser absorption spectroscopy using an arc-jet plasma wind tunnel

桑原 彬; 相羽 祇亮*; 南川 卓也; 松井 信*

Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 33(5), p.893 - 896, 2018/05

https://doi.org/10.1039/C8JA00040A

原子力施設の安全な運転及び保守管理において、核燃料または放射性廃棄物の同位体組成は、把握しなければならない重要な要素である。本研究においては、試料の前処理及びメンテナンスを要しない迅速分析を目的として、アークプラズマ風洞と半導体レーザー吸収分光法を基盤とした同位体分析法を開発した。主流として用いたアルゴンの吸収ライン(826.45nm)を用いて、超音速ノズル上流及び下流の温度を計測した。また、キセノンガスを分析試料として、キセノン原子の準安定状態からの吸収ライン(823.16nm)を用いて、開発した分析法の精度及び検出感度を明らかにした。

飽和吸収分光におけるスペクトル形状の評価

桑原 彬; 浅見 大智*; 西本 昴司*; 南川 卓也; 松井 信*

no journal, , 

本研究では、同位体比の高分解スペクトル測定に用いられる飽和吸収分光を、誘導結合プラズマに適用し、吸収飽和により生じるラムディップを観測した。スペクトル形状から、励起に使用するポンプ光のレーザー強度とラムディップの深さの関係が理論値と一致しないこと、及びラムディップの中心波長が吸収飽和を生じない場合からずれることを確認した。これらの原因を、プラズマの生成条件及びレーザー強度から考察したので結果を報告する。

アークジェットプラズマを用いたレーザー分光分析の特性評価

桑原 彬; 相羽 祇亮*; 南川 卓也; 松井 信*

no journal, , 

従来の同位体分析では、質量分析装置が広く用いられているが、同重体干渉を回避するため、複雑な前処理により妨害元素を取り除いたクリーンな試料を装置内に導入する必要がある。近年では、レーザーアブレーションを用いたレーザー分光法が開発されてきたが、プルームの高温高圧環境によって同位体スペクトルが干渉してしまうことや質量数による運動速度の差から高時間分解が求められるなどの課題があり、確立されていない。そこで、本研究では、元素毎の高い波長選択性を利用するレーザー分光により、前処理を省略した直接分析を実現するため、試料のプラズマ化のための高温部と同位体識別のための低温部を同時に達成し得る超音速プラズマ風洞を用いた同位体分光分析法を開発した。本発表においては、プラズマ風洞の熱的特性の評価結果及びキセノンガスを用いた分析法の妥当性評価結果について報告する。

同位体分析のための光共振器を用いた高感度レーザー吸収分光システムの開発

桑原 彬; 南川 卓也; 松井 信*

no journal, , 

本研究では、レーザーを用いた同位体分析を目的として、高反射ミラーから構成される光共振器を用いた高感度レーザー吸収分光システムを開発した。

同位体分析装置及び同位体分析方法

桑原 彬; 南川 卓也; 藤平 俊夫

松井 信*

特願 2017-064440  公開特許公報  特許公報

【課題】低濃度試料による分析でも高い精度で同位体の分析を行うことが可能な同位体分析装置を提供する。 【解決手段】本発明に係る同位体分析装置1は、入射側高反射ミラー151と、前記入射側高反射ミラー151とで対を成し、光キャビティー155を形成する出射側高反射ミラー152と、前記入射側高反射ミラー151にレーザー光を入射するレーザー光入射部(光学系45)と、前記出射側ポート140から出射する光を受光する光検出部(光電子増倍管50)と、前記光検出部(光電子増倍管50)の出力をスペクトル信号に変換するスペクトル信号変換部(オシロスコープ70、コンピューター80)と、からなり、前記光キャビティー155内でドップラーフリースペクトルを発現させると共に、前記スペクトル信号変換部(オシロスコープ70、コンピューター80)で得られる、特定元素の各同位体のドップラーフリースペクトル信号強度の比に基づいて同位体の分析を行うことを特徴とする。