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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)
Fターム
画像

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JP2018537039thum.jpg
出願権利状態 公開
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