課題番号 ：S-17-MS-2037
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ接合のXMCD測定
Program Title (English) ：XMCD measurements on magnetic topological heterostructures
利用者名（日本語） ：日下翔太郎1), 横山喜一1), 上村洋平2), 横山利彦2), 平原 徹1)
Username (English) ：S. Kusaka1), K. Yokoyama1), Y. Uemura2), T. Yokoyama2), T. Hirahara1)
所属名（日本語） ：1) 東京工業大学理学院, 2) 分子科学研究所
Affiliation (English) ：1) Tokyo Institute of Technology, 2) Institute for Molecular Sciences

１．概要（Summary ）
2008年のBi1-xSbxにおけるトポロジカル絶縁体の実験的発見以来、世界中でこの分野の研究が爆発的に行われてきた。これまで申請者はトポロジカル絶縁体と磁性絶縁体のヘテロ接合(MnBi2Se4/Bi2Se3およびMnとTeを蒸着したBi2Te3)において表面ディラックコーンにギャップが生じることを確認した。これはこの系の時間反転対称性が破れていることを間接的に示唆していたが、本研究ではこれらのヘテロ構造の磁化特性を、X線磁気円二色性(XMCD)を用いて直接評価した。その結果、予想通りこれらのヘテロ構造が強磁性の性質を持つことを実証することができた。

２．実験（Experimental）
使用機器：分子科学研究所UVSOR BL-4B

実験計画：まず東工大における超高真空槽でヘテロ構造を作製し、大気に取り出した際に汚染されないようにSeやTeでキャッピングを行った。そしてBL-4Bの超高真空槽にこれを持ち込み、240℃で加熱することでキャップ層を取り除いた。LEED観察の結果、明瞭なスポットが見られ、結晶性の高いものが維持されて表面が原子レベルで平坦であることが確認できた。これらの試料を7.2 Kまで冷却し±5Tの磁場印加時と、磁場を切った場合のX線内殻磁気円二色性(XMCD)スペクトルをMnのL吸収端において、X線と試料の垂直方向が90°と55°の二通りの場合に測定した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
MnBi2Se4/Bi2Se3ヘテロ構造に関しては、±5Tの磁場を印加した際は明瞭なXMCDスペクトルが観測された。総和則を用いた解析によりMn原子のスピン磁気モーメントは1.99μBと計算された。これは理論計算よりも小さく、5Tでもスピンが飽和していないことを意味している。一方磁場を印加しなかった場合(残留磁化)も弱いながらにL3端にピーク構造が見られ、強磁性体であることが確認できた。X線と試料の垂直方向が90°の場合の方が、シグナルが大きかったことから面直方向が容易化軸と分かった。
一方、MnとTeを蒸着したBi2Te3に関しても概ね同様の傾向が得られたが、残留磁化は面内方向が容易化軸であることを示しており、バンド構造から予想される向きとは異なっていた。今後定量的解析やより詳細な測定をすることでこれらの不明点を解明していく。

４．その他・特記事項（Others）
なし

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T.Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, and E. V. Chulkov, “Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer”, Nano Letters 17, 3493 (2017).
(2) 平原徹, “近接効果によるトポロジカル表面状態の制御”, 第一回HiSORスピン物性研究会〜高輝度光源を活かしたスピン分解光電子分光研究の展望〜, 2018年3月, 広島大学.
(3) 平原徹, “トポロジカル絶縁体表面に埋め込まれた強磁性層”,第８回 真空・表面科学若手研究会 , 2017年10月, つくばイノベーションプラザ.
(4) 平原徹, “自己組織化によって形成された磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ接合”, 物性研短期研究会「光で 見る・操る 電子物性科学の最前線～強相関, トポロジー, 低次元, ダイナミクス～」, 2017年6月, 東大物性研.
(5) T. Hirahara, S. V. Eremeev, T. Shirasawa, Y. Okuyama, T. Kubo, R. Nakanishi, R. Akiyama, A. Takayama, T. Hajiri, S. Ideta, M. Matsunami, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takagi, K. Tanaka, T. Okuda, T. Yokoyama, S. Kimura, S. Hasegawa, and E. V. Chulkov, “Large-Gap Magnetic Topological Heterostructure Formed by Subsurface Incorporation of a Ferromagnetic Layer”, BEC2018, January 2018.
(6) Y. Okuyama, S. V. Eremeeev, R. Nakanishi, R. Akiyama, T. Shirasawa, Y. Sugiyama, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ideta, K. Tanaka, E. V. Chulkov, S. Hasegawa, ands T. Hirahara, “Heterostructure of a topological insulator/magnetic insulator ultrathin film”, ISSS-8, October 2017.

６．関連特許（Patent）
なし