時間・スピン分解光電子分光によるディラック電子系のスピンダイナミクスの研究

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トポロジカル絶縁体やグラフェンに代表されるディラック電子系は、波数空間上で円錐型バンド分散を形成し、多彩な物性を示すことで知られる。本研究では主に、トポロジカル絶縁体表面に現れるスピン偏極ディラック電子に着目し、スピン分解および時間分解光電子分光によってそのスピン偏極電子状態と超高速キャリアダイナミクスを観測した。本年度は、昨年度に引き続き、p型トポロジカル絶縁体(Sb0.73Bi0.27)2Te3について時間分解光電子分光を行い、超高速キャリアダイナミクスの温度依存性を詳細に追跡した。その結果、ディラック点の上下で過渡的な反転分布が形成されていることを実験的に見出した。また、この反転分布は室温で10ピコ秒以上持続することが明らかとなり、今後、トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)2Te3を用いた有限温度での広帯域レーザー発振の実現が期待される（Physical Review B誌に掲載）。また、本研究で開発を進めた10ミクロン以下の空間分解能を持つスピン分解光電子分光装置を用いて鉛系トポロジカル絶縁体PbBi4Te4S3の顕微分光を行い、表面終端構造に依存した2種類のスピン偏極表面状態の分離観測に成功した。観測された表面状態の一つは酸素暴露の影響をほとんど受けず、最表面に保護された純スピン流の創生が期待される（Physical Review Materials誌に掲載）。更に、トポロジカル絶縁体に磁性不純物を加えた希薄磁性トポロジカル絶縁体(Sb1-xVx)2Te3について、磁気円二色性分光、走査トンネル顕微鏡・分光、時間分解光電子分光を行い、磁性不純物が与える影響を磁性・構造・電子状態・キャリアダイナミクスの観点から明らかにした。その結果、Vが作る不純物状態がバンド間散乱を誘起し、励起電子の緩和時間が大幅に短くなることが明らかとなった（論文査読中）。