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固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法及び装置

国内特許コード	P190016332
整理番号	(S2016-1074-N0)
掲載日	2019年8月27日
出願番号	特願2018-537039
出願日	平成29年7月28日(2017.7.28)
国際出願番号	JP2017027375
国際公開番号	WO2018042971
国際出願日	平成29年7月28日(2017.7.28)
国際公開日	平成30年3月8日(2018.3.8)
優先権データ	特願2016-167744 (2016.8.30) JP
発明者	長谷宗明マンダルリチャジ粟飯原有輝齊藤雄太富永淳二
出願人	国立大学法人筑波大学
発明の名称	固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法及び装置
発明の概要	励起光としてフェムト秒パルスレーザー４を、λ／４波長板６を回転させることで偏光状態を変化させトポロジカル絶縁体の固体試料８の表面に照射し、固体試料８の表面に、逆ファラデー効果又は逆コットン・ムートン効果を誘起せしめ、該効果に基づいて生じるλ／４波長板回転角依存性を計測することにより、トポロジカル絶縁体等における固体試料８の表面に局在するスピン状態の評価と表面バンド状態の評価を行い、トポロジカル絶縁性を評価する。
従来技術、競合技術の概要	スピントロニクスへの応用が考えられるトポロジカル絶縁体は、Ｔｅ又はＳｂを主成分とするカルコゲンと呼ばれる化合物が主なものであり、トポロジカル絶縁体の表面では、表面のバンド構造を反映したスピン電流が流れる。このスピン電流を測定する技術は、幾つかの文献で報告されている。例えば、ポンピングするレーザー光の偏光状態に対するスピン電流の強度の変化を測定することで、トポロジカル絶縁体の評価がされている（非特許文献１参照）。一方、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、角度分解型光電子分光法（ＡＲＰＥＳ）により、トポロジカル絶縁体におけるバンド・ギャップ（Eg）の評価が行われており、トポロジカル絶縁体（Topological insulator: TI）（Eg = 0）と通常の絶縁体（Normal insulator: NI）（Eg ≠0）の見分けが可能になり、特に、膜厚に依存して起こる、ＴＩ⇔ＮＩ量子相転移の観測が可能となっている（非特許文献２、非特許文献３参照）。
産業上の利用分野	本発明は、超短パルスレーザーを用いて、非接触かつ室温・大気中で、トポロジカル絶縁体（Topological insulator：物質の内部は絶縁体でありながら、表面は電気を通すという物質）等において固体表面に局在するスピン状態の評価と表面バンド状態の評価を同時に行う方法及び装置を提供するものである。
特許請求の範囲	【請求項1】励起光としてフェムト秒レーザーパルスを、λ／４波長板を回転させることで偏光状態を変化させトポロジカル絶縁体の固体試料である固体表面に照射し、固体表面に、逆ファラデー効果及び逆コットン・ムートン効果の両方又は一方を誘起せしめ、該効果に基づいて生じるλ／４波長板回転角依存性を計測することにより、トポロジカル絶縁体等における固体表面に局在するスピン状態の評価と表面バンド状態の評価を行い、トポロジカル絶縁性を評価することを特徴とする固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項2】 λ／４波長板回転角依存性は、コヒーレントスピン又は磁化Ｍとバンド構造を、フェムト秒レーザーパルスに対して時間遅延をつけた検出光であるプローブパルスを、不透明な固体試料である固体に照射し、その反射光によって磁気光学効果を利用してカー回転角を検出することにより評価することを特徴とする請求項１に記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項3】カー回転角によって、検出フェムト秒レーザーパルス照射後、１ピコ秒以内の超高速時間に現れる逆ファラデー効果又は逆コットン・ムートン効果により過渡的に誘起された磁化Ｍに伴うスピンを検出することを特徴とする請求項２に記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項4】 λ／４波長板回転角依存性は、コヒーレントスピン又は磁化Ｍとバンド構造を、フェムト秒レーザーパルスに対して時間遅延をつけた検出光であるプローブパルスを、透明な固体試料である固体に照射し、該照射の透過光によって透過型のファラデー回転角を検出することにより、評価することを特徴とする請求項１に記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項5】逆ファラデー効果は、フェムト秒レーザーパルスを円偏光にして固体表面に照射することで誘起することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項6】逆コットン・ムートン効果は、フェムト秒レーザーパルスを直線偏光にして固体表面に照射することで誘起することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項7】カー回転角又はファラデー回転角のλ／４波長板回転角α依存性を計測することによって、Ｌは逆コットン・ムートン効果によるカー回転を表す振幅とした場合に、Ｌｓｉｎ４α成分の有無を測定することを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法。【請求項8】励起光としてフェムト秒レーザーパルスを、λ／４波長板を回転させることで偏光状態を変化させてトポロジカル絶縁体における固体表面に照射し、固体表面に、逆ファラデー効果及び逆コットン・ムートン効果の両方又は一方を誘起せしめ、該効果に基づいて生じるλ／４波長板回転角依存性を計測することにより、固体のスピン特性からトポロジカル絶縁性を評価する方法及び装置であって、フェムト秒パルスレーザーからのビームを励起光と検出光の２つに分割する分割装置と、励起光の偏光状態を変化させるλ／４波長板と、検出光をｐ偏光させるｐ偏光板と、固体試料から反射された検出光をさらに反射するミラーと、ミラーからの反射光を縦偏光と横偏光に分波に分波する偏光ビームスプリッターと、縦偏光と横偏光をそれぞれ検出する光検出器と、を備えていることを特徴とするトポロジカル絶縁性を評価する装置。
国際特許分類(IPC)	G01N 21/21 偏光に影響をおよぼす特性 G01R 15/24 光変調器を使用するもの
Fターム	2G025AB10 ファラデー素子（磁気光学素子） 2G025AC06 光学的，例．光ファイバ（表示を含む） 2G059AA02 材料の光学的特性の測定 2G059BB08 固体 2G059EE02 光反射，光散乱，回折 2G059EE05 偏光特性の利用 2G059EE20 その他（Ｆ） 2G059GG01 レーザ 2G059GG08 パルス光とするもの 2G059HH01 赤外線 2G059JJ13 ミラー，反射面（０７が優先） 2G059JJ19 偏光要素 2G059JJ20 波長板（例，４分の１波長板） 2G059JJ22 ビームスプリッタ，コンバイナ，セクター 2G059KK01 光電検出器
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出願権利状態	公開