Embed Size (px)
Citation preview
ナノ・スピン ARPESを用いた物性研究と今後の展開 Solid state physics and its future development
with nano-spin ARPES
近藤 猛
東京大学物性研究所 Takeshi Kondo
ISSP, The Univdersity of Tokyo [email protected]
「ナノ・スピン ARPES」は、東京大学放射光連携研究機構から SLiT-J のエンドステーションとして提案する２つのうちの１つである。その構想図を下図に示す。 高温超伝導体の発見時に勝るとも劣らない衝撃をもって登場したトポロジカル絶縁
体の実験的証明には、スピン分解 ARPES が主役を担った。近年、トポロジカル絶縁体を典型例とする新奇なエッジ電子状態や、ワイル半金属といったスピン偏極する電子構
造を母体とする物質科学が世界的に競って研究されている。その中において、高輝度
3GeV放射光を用いた ARPES研究の活躍は凄まじい状況にある。「ワイルの年」と言えるほどに賑わった 2015年を見ても、3GeV放射光 ARPESを活かすことで初めて、TaAsにおいてワイル半金属状態が発見された [Xu et al., Science (2015), Lv et al., Nat. phys. (2015), Yang et al., Nat. phys. (2015), Liu et al., Nat. Mater. (2015)]。トポロジカル絶縁体の発見と共に一気に加速した新奇トポロジカル量子相開拓の学術的要請と、「エレクトロ
ニクス」を一新して更なる人類繁栄をもたらし得る「スピントロニクス」の社会的要請
を受けて、電子物性科学に不可欠な実験ツールとしての地位を既に確立したスピン分解
ARPES技術を、さらに革新させる必要がある。我々は、SLiT-Jが誇る低エミッタンス放射光の威力を最大限に活かしてこそ実現する「見えなかったものを見る」 ナノ・スピンARPESを開発する計画である。
[1] A. Bostwick, et al., Synchrotron Radiat. News 25, 19–25 (2012). [2] K. Yaji et al., Rev. sci. instrum. 87, 053111 (2016).
参考文献:
��
�
��
�
��
�
��
マルチ・スピン検出器「ナノ・スピンARPES構想」
スペック
�マルチ・スピン検知器(高効率測定)
� 50eV<hv <1,000eV(フェルミオロジーから化学分析まで)
�ナノ・ビーム光源(極限研磨ミラー)
相分離 磁区 低次元トポロジカルエッジ
ナノデバイス多結晶
～100nm
hv=50～1,000 eV
���������+������ (a) (b) (c) (d)
(e) (f)
回転楕円ミラーによる高次高調波軟
X線の集光特性評価
○本山央人
1, 佐藤尭洋
2, 岩崎純史
2, 江川悟
1, 山内薫
2, 三村秀和
1
1 東京大学工学系研究科
, 2 東京大学理学系研究科
Focusing Performance of Ellipsoidal Mirror for Soft X-ray
by High-Order Harmonic Generation
School of Engineering, The University of Tokyo
Hiroto Motoyama, Satoru Egawa, and Hidekazu Mimura
School of Science, The University of Tokyo
Takahiro Sato, Atsushi Iwasaki, and Kaoru Yamanouchi
The ellipsoidal mirror is known as a promising reflective X-ray optic that can achieve an effective
two-dimensional sub-100 nm focusing by single reflection. This optic is suitable for focusing multiple
wavelength soft X-ray generated as high-order harmonics (HH) of femtosecond near IR laser pulses. We
prepared an ellipsoidal mirror, and developed a mirror alignment system and measurement system of the
size of a focal spot. In this paper, we report the results of the focusing experiment with the ellipsoidal
mirror. As the results, sub-1 Pm-focusing in the vertical direction is achieved for the HH light in the
wavelength region between 13.5 and 20 nm. In addition, our future strategy of achieving two-dimensional
sub-micro focusing is introduced.
1． 研究の目的・意義
回転楕円ミラーとは、楕円カーブを半径プロファイルとす
る回転体形状のミラーである（図
1）。光源と集光点を楕円の
焦点に一致させることで、回転楕円ミラーの金属表面で反射
した軟
X線をナノメートルオーダの領域に集光することが
できる
1, 3)。また、反射型光学素子の特徴として、素子に起
因する色収差が小さいという点が挙げられる。そのため、集
光点に波長依存性が存在せず、広い波長帯域で使用すること
ができる。
一方、テーブルトップ軟
X線光源として、高次高調波が注
目されている。高次高調波とは、高強度フェムト秒レーザを
ガス中に照射した際に、非線形作用により放出される光であ
る。高次高調波は、入射光の奇数倍の周波数をもつ光を複数
含んでおり、レーザ光軸上に発生する。高次高調波には高い
可干渉性があり、複数の波長の光を干渉させることで、アト
秒オーダのパルス幅をもつ光を生成することができる。さら
に、発生条件を最適化することで、軟
X線から
EUV領域の
短波長の光を発生させることができる。
回転楕円ミラーを用いることで、高次高調波に含まれる広
いバンド幅をもつ複数波長を、分光なしでナノメートルオー
ダの領域に集光することが可能となる。さらに、ゾーンプレ
ートと比較して高い集光効率を備えることから、高輝度アト
秒パルスの形成が期待される
2)。
本稿では、回転楕円ミラーによる高次高調波集光実験につ
いて報告する。高次高調波軟
X線発生光学系と、ミラーの姿
勢制御装置について説明し、実験で得られた軟
X線集光径を
示す。最後に今後の展望について述べる。
図1. 回転楕円ミラー
2．
アライメント装置の開発
回転楕円ミラーはアッベの正弦条件を満たさない光学素
子であるため、アライメントの誤差が集光波面内でのコマ収
差として現れる
3)。コマ収差の影響による集光性能の悪化を
避けるために、高回転分解能、高安定性をコンセプトとした
姿勢制御装置を構築した。
6自由度のうち、ロール方向の回
転を除く
5軸をパルスモータで制御する（図
2）。
また、集光径の評価には、ナイフエッジスキャンを利用し
た。縦横方向にダイヤモンドバイトが取り付けられた治具を
5 nmの分解能をもつフィードバックステージで制御する。
その他に、光軸方向への移動にパルスモータを使用している。
また、ナイフエッジスキャンにおける反射光の強度測定には
軟X線
CCDを用いた。
図2 アライメントユニット
3． 高次高調波ビームライン
表
1に高次高調波ビームラインのパラメータを掲載する。
基本波には波長
800 nmのフェムト秒レーザを用い、ガスに
はNeを用いた。基本波をカットするために、光軸上に
2枚
のZrフィルターが取り付けられている。
Zrフィルター透過
後のスペクトルを図
3に示す。13.5 ~ 20.5 nm
のバンド幅を
持つ高調波が入射していることが分かる。また、光源からミ
ラーまでの距離は
6.5 mであり、伝播後の高次高調波は縦方
向が
0.61 mm（
FWHM）、横方向が
1.28 mm（
FWHM）の
楕円形状のビームとなっている（図
4）。
表1. 高次高調波のパラメータ
パラメータ
値
基本波の波長、パルス幅
800 nm, 30 fs
光源からミラーまでの距離
6.5 m
ビームサイズ
(@6.5 m)
0.61 mm × 1.28 mm
波長帯域
(Zr透過後
)
13.5 nm~20.5 nm
Light source
Ellipsoidal mirror
Collecting point
Soft X-ray
5 nm Closed loop XY stage
HHG
Stepping motor×5
Stepping motorEllipsoidal mirror
201�年度精密工学会季大会学術講演会講演論文集
CopyrightⒸ2015 JSPE
－1053－
R34
ナノ・ビーム光源 (～100nm)
極限研磨ミラー
