光で確かめた金結晶表面のスピンの向き~新しい2次元スピン検出方式で、表面電子のスピンの方向を可視化し決定~

2025-11-18 分子科学研究所

この研究では、金(Au(111))結晶表面に現れる「ラシュバ分裂」状態において、電子のスピンの向き(時計回りか反時計回りか)が従来20年近く議論の分かれていた点を、「光電子運動量顕微鏡(PMM)」と「スピンローテーター+2次元スピンフィルター」を組み合わせることで、明確に符号付きで決定しました。具体的には、外側バンドでは時計回り、内側バンドでは反時計回りというスピン配向が確認され、さらに真空紫外光を用いた偏光実験から、表面状態の主成分が6s・6pz_z軌道であることも示されました。これらの測定手法により、材料横断的なスピン・軌道の“基準データ”を整備できる体制が整い、特にスピントロニクス材料設計・デバイス開発の基盤として大きな前進です。

光で確かめた金結晶表面のスピンの向き~新しい2次元スピン検出方式で、表面電子のスピンの方向を可視化し決定~
単結晶の金(Au(111))表面における電子のふるまいを表現した模式図

<関連情報>

光電子運動量顕微鏡による金(Au(111))表面状態のスピン・軌道偏極方向の決定
Spin and Orbital Polarizations of Au(111) Surface State Determined by Photoelectron Momentum Microscope

Fumihiko Matsui, Kenta Hagiwara, Yusuke Sato, Ryunosuke Sagehashi, and Shigemasa Suga
Journal of the Physical Society of Japan  Published: October 31, 2025
DOI:https://doi.org/10.7566/JPSJ.94.114707

Photoelectron momentum microscopy, by combining with synchrotron soft X-ray (SX) and vacuum ultraviolet (VUV) undulators, is employed for the characterization of Fermi surfaces and valence band atomic orbitals from µm-scale regions. The two-dimensional (2D) photoelectron momentum distribution of the Au(111) valence band was measured using this technique. The measurements were performed with p-polarized SX light and s-polarized VUV light. The Shockley surface state near the ¯Γ point was clearly observed as small, spin–orbit split circular contours. Subsequently, the spin polarization orientation of this surface state was determined by utilizing a spin rotator, a 2D spin filter, and a 2D multichannel detector. While the surface states excited by normally incident VUV light showed a very weak intensity, it was distinctly observed that the photoelectron intensity was zero for emission directions perpendicular to the electric field vector. This finding confirms that the surface states are predominantly composed of 6s and 6pz orbitals.

0403電子応用
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