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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

https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2021.100628
 被引用回数：2 パーセンタイル：2.19(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

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

AA2018-0697.pdf:1.89MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.144413
 被引用回数：12 パーセンタイル：56.27(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

Antiferromagnetic interaction between paramagnetic Co ions in the diluted magnetic semiconductor Zn$$_{1-x}$$Co$$_x$$O

小林 正起*; 石田 行章*; Hwang, J. I.*; 長船 義敬*; 藤森 淳*; 竹田 幸治; 岡根 哲夫; 斎藤 祐児; 小林 啓介*; 佐伯 洋昌*; et al.

Physical Review B, 81(7), p.075204_1 - 075204_7, 2010/02

AA2009-0975.pdf:0.87MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.075204
 被引用回数：19 パーセンタイル：61.85(Materials Science, Multidisciplinary)

The magnetic properties of Zn$$_{1-x}$$Co$$_x$$O (x=0.07 and 0.10) thin films, which were homoepitaxially grown on a ZnO(0001) substrates with varying relatively high oxygen pressure, have been investigated using X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) at Co 2p core-level absorption edge. The magnetic-field and temperature dependences of the XMCD intensity are consistent with the magnetization measurements, indicating that except for Co there are no additional sources for the magnetic moment, and demonstrate the coexistence of paramagnetic and ferromagnetic components in the homoepitaxial Zn$$_{1-x}$$Co$$_x$$O thin films. The analysis of the XMCD intensities using the Curie-Weiss law reveals the presence of antiferromagnetic interaction between the paramagnetic Co ions. Missing XMCD intensities and magnetization signals indicate that most of Co ions are nonmagnetic probably because they are strongly coupled antiferromagnetically with each other.

論文

Hybridization between the conduction band and 3$$d$$ orbitals in the oxide-based diluted magnetic semiconductor In$$_{2-x}$$V$$_x$$O$$_3$$

小林 正起*; 石田 行章*; Hwang, J. I.*; Song, G. S.*; 滝沢 優*; 藤森 淳; 竹田 幸治; 大河内 拓雄*; 岡根 哲夫; 斎藤 祐児; et al.

Physical Review B, 79(20), p.205203_1 - 205203_5, 2009/05

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.205203
 被引用回数：7 パーセンタイル：33.2(Materials Science, Multidisciplinary)

The electronic structure of In$$_{2-x}$$V$$_x$$O$$_3$$ ($$x=0.08$$) has been investigated by photoemission spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The V $$2p$$ core-level photoemission and XAS spectra revealed that the V ion is in the trivalent state, which is the same valence state as that of In in In$$_2$$O$$_3$$. The V $$3d$$ partial density of states obtained by the resonant photoemission technique showed a sharp peak above the O $$2p$$ band. While the O $$1s$$ XAS spectrum of In$$_{2-x}$$V$$_x$$O$$_3$$ was similar to that of In$$_2$$O$$_3$$, there were differences in the In $$3p$$ and $$3d$$ XAS spectra between the V-doped and pure In$$_2$$O$$_3$$. The observations give clear evidence for hybridization between the In-derived conduction band and the V $$3d$$ orbitals in In$$_{2-x}$$V$$_x$$O$$_3$$.

論文

Local electronic structure of Cr in the II-VI diluted ferromagnetic semiconductor Zn$$_{1-x}$$Cr$$_x$$Te

小林 正起*; 石田 行章*; Hwang, J. I.*; Song, G. S.*; 藤森 淳; Yang, C. S.*; Lee, L.*; Lin, H.-J.*; Huang, D.-J.*; Chen, C. T.*; et al.

New Journal of Physics (Internet), 10, p.055011_1 - 055011_15, 2008/05

https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/5/055011
 被引用回数：15 パーセンタイル：64.38(Physics, Multidisciplinary)

The electronic structure of the Cr ions in the diluted ferromagnetic semiconductor Zn$$_{1-x}$$Cr$$_x$$Te ($$x$$=0.03 and 0.15) thin films has been investigated using X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and photoemission spectroscopy (PES). The line shape of the Cr $$2p$$ XMCD spectra is independent of $$H$$, $$T$$, and $$x$$, indicating that the ferromagnetism is originated from the same electronic states of the Cr ion. Cluster-model analysis indicates that the ferromagnetic XMCD signal is originated from Cr ions substituted for the Zn site. The Cr $$3d$$ partial density of states extracted using Cr $$2p to 3d$$ resonant PES shows a broad feature near the top of the valence band, suggesting strong $$s$$,$$p$$-$$d$$ hybridization. Based on these findings, we conclude that double exchange mechanism cannot explain the ferromagnetism in Zn$$_{1-x}$$Cr$$_{x}$$Te.

論文

Soft X-ray magnetic circular dichroism study of weakly ferromagnetic Zn$$_{1-x}$$V$$_{x}$$O thin film

石田 行章*; Hwang, J. I.*; 小林 正起*; 竹田 幸治; 間宮 一敏*; 岡本 淳*; 藤森 伸一; 岡根 哲夫; 寺井 恒太*; 斎藤 祐児; et al.

Applied Physics Letters, 90(2), p.022510_1 - 022510_3, 2007/01

https://doi.org/10.1063/1.2431571
 被引用回数：23 パーセンタイル：64.21(Physics, Applied)

ワイドギャップ半導体ZnOを母体とした希薄磁性半導体は室温以上の強磁性転移温度(TC)が存在する可能性があるとして注目されている。Zn$$_{1-x}$$V$$_{x}$$OはTCが400K以上にあることが報告されたが、一方でその後の研究では強磁性的なふるまいが観測されないとの報告もある。本研究では磁化測定で350K以上で強磁性的ふるまいが観測されている試料に対して、軟X線磁気円二色性(XMCD)測定を行いV元素だけの磁性を調べた。XMCDの磁場依存性測定の結果から、得られたXMCDシグナルの9割程度は常磁性的なふるまいを示すが、弱い強磁性の存在を確認できた。また吸収スペクトルとXMCDスペクトルの形状とクラスター計算との比較からVイオンはZnに置換された2価であり、わずかにc軸方向に伸びた四配位であることがわかった。

論文

Characterization of magnetic components in the diluted magnetic semiconductor Zn$$_{1-x}$$Co$$_x$$O by X-ray magnetic circular dichroism

小林 正起*; 石田 行章*; Hwang, J. I.*; 溝川 貴司*; 藤森 淳*; 間宮 一敏*; 岡本 淳*; 竹田 幸治; 岡根 哲夫; 斎藤 祐児; et al.

Physical Review B, 72(20), p.201201_1 - 201201_4, 2005/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.201201
 被引用回数：140 パーセンタイル：96.06(Materials Science, Multidisciplinary)

強磁性を示す$$n$$型希薄磁性半導体Zn$$_{1-x}$$Co$$_{x}$$O(x=0.005)において、X線吸収,X線磁気円二色(XMCD),光電子分光実験を行った。XMCDスペクトルは、酸素四面体配位下のCo$$^{2+}$$イオンの特徴を反映したものであった。これはZn$$_{1-x}$$Co$$_{x}$$Oにおける強磁性がZnサイトを置換したCo$$^{2+}$$イオンによって生ずることを意味している。XMCD強度の磁場及び温度依存性から、非強磁性のCoイオンは強く反強磁性結合していることが示唆される。

論文

High-energy spectroscopic study of the III-V nitride-based diluted magnetic semiconductor Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$N

Hwang, J. I.*; 石田 行章*; 小林 正起*; 平田 玄*; 田久保 耕*; 溝川 貴司*; 藤森 淳; 岡本 淳; 間宮 一敏*; 斎藤 祐児; et al.

Physical Review B, 72(8), p.085216_1 - 085216_6, 2005/08

A2004-0178.pdf:0.19MB

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.085216
 被引用回数：64 パーセンタイル：87.86(Materials Science, Multidisciplinary)

常磁性Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Nの電子構造について光電子分光(PES),X線吸収分光(XAS)によって調べた。XAS実験スペクトルを理論計算と比較することによって、GaN中Mnは正四面体配位結晶場中の2価で説明できることがわかった。この結果に従い、Mn2p及びMn3d光電子スペクトルを配置間相互作用クラスターモデルで解析した。これにより見積もられた電子構造パラメータから計算したp-d交換相互作用定数の大きさはGa$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Asの1.6倍であることが判明した。また、内殻PESからはMn濃度の上昇に伴ってフェルミレベルが降下する様子とバンドギャップ中に新たな状態が生成され増大する様子が観測された。以上のことから、Ga$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$Nにおいて十分な正孔濃度を実現することで高い転移点を持つ強磁性が発現する可能性が実験的に示された。

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