表面終端により異なるトポロジカル表面状態とスピン流ダイナミクス

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研究代表者は，これまでに，フェムト秒光電子顕微鏡(femtosecond photoemission electron microscopy: fs-PEEM)を利用して半導体中の電子ダイナミクスを高い時間・空間・エネルギー分解能を利用してイメージングを行ってきた．本研究の目的は，fs-PEEM利用によるスピンダイナミクス観測である．スピンダイナミクス観測に先立ち，典型的なトポロジカル絶縁体であるBi2Se3単結晶表面の電子ダイナミクス観察を行った．fs-PEEM測定により，Bi2Se3表面は，数10ミクロンサイズのドメインで形成されていることが観測され，それぞれのドメインで光電子スペクトルの形状と電子ダイナミクスが異なる結果が得られた．研究分担者らによる第一原理計算で得られたバンド構造から，へき開された表面を終端する原子層は不均一であることが明らかとなった．また，光照射によるバルクバンドギャップを超えて励起された電子が，ある表面状態(Se膜が最表面にくるS1表面)では，ディラック状態を経由して，基底状態に戻ることを確認した．ディラック点での再結合を経由するために他の表面状態と比較して10倍程度再結合時間が長いことが分かった．これは，ディラック状態を利用するデバイス開発に重要な情報となる．この成果は，論文投稿準備中である．トポロジカル絶縁体表面のスピンダイナミクス観測円滑に遂行するために，2021年度に修理した光電子顕微鏡を設置するための真空チャンバーを設計し，その動作確認が完了している．