NanoTerasuで覗く電子の世界

1．はじめに

カーボンニュートラルやSDGsの達成に向けて，超低消費電力かつ高速演算を実現する電子デバイスの開発が社会的に強く求められている。次世代デバイスの材料として期待されているのが「量子マテリアル」である。量子マテリアルとは，電子の持つ「電荷」と「スピン」，つまり，電気的性質や磁気的性質などに起因する量子効果を活用することで，従来の材料を凌駕する機能を発現する物質群を指す。その代表例として，高温超伝導体，トポロジカル材料，スピントロニクス材料などが挙げられる。このような量子マテリアルの特性を理解し，自在に制御するためには，物質の性質を担う電子の振る舞いを明らかにすることが不可欠である。電子がどのように運動し，どのようなエネルギー状態にあるのかを直接観察できれば，量子マテリアルの本質的な理解につながる。その電子の振る舞いを最も直接的に調べることができる実験手法が「角度分解光電子分光（ARPES：Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy）」である。

電子の振る舞いとは，専門的には電子状態やバンド構造と呼ばれるが，平たく言えば「電子がどのエネルギーを持ち，どの方向へ動いているか」を示す「地図」（＝電子のエネルギーと波数の分散関係）のようなものである。ARPESを用いることで，半導体や金属，超伝導体など，さまざまな物質における電子の振る舞いを「目で見るように」理解できるようになった。このためARPESは，固体物理学や材料科学の発展を支えてきた重要な計測手法のひとつとして広く認知されており，その高度化が世界的に競って進められている。

ARPESの高度化の歴史を簡単に振り返ると，まず初期には，高温超伝導体における超伝導ギャップの大きさやその波数依存性を精密に調べるために，エネルギーおよび波数分解能の向上が図られた。その結果，現在ではエネルギー分解能が1 meVを下回る「高分解能ARPES（High-resolution ARPES）」が実現し，超伝導研究において大きな成果を挙げている。次に，電子の持つスピン情報（スピン偏極度）を調べることができるスピン分解ARPES（Spin-resolved ARPES）が発展してきた。従来のモット型スピン検出器は，通常のARPES（スピン積分型）に比べて検出効率が約1/10,000と極めて低く，高分解能測定が困難であった。しかし，新たに開発されたVLEED型スピン検出器（VLEED：Very Low Energy Electron Diffraction）により，モット型の約100倍に相当する高い検出効率が実現され，高分解能スピン分解ARPESが可能となった。これにより，スピン偏極の情報が物性と密接に関わるトポロジカル材料の研究が大きく進展した。さらに，電子の振る舞いの時間ダイナミクスを追跡できる「時間分解ARPES（Time-resolved ARPES）」も発展している。ポンプ・プローブ法に基づいた手法であり，試料にポンプ光を照射して，系を励起状態に変化させ，プローブ光により，その緩和過程をフェムト秒～ピコ秒スケールの時間分解能で観察することができる。光誘起相転移を示す材料や，超高速現象の解析において強力なツールとなっている。

そして，本稿で焦点を当てる「空間分解ARPES（Spatially-resolved ARPES）」も，近年著しい発展を遂げている。空間分解能を有する光電子スペクトルを取得する手法には，大きく分けて顕微鏡法（microscopy）と顕微分光法（spectromicroscopy）の二つの検出方式がある。前者は光電子の並列取得（parallel imaging）に基づく手法であり，近年では運動量顕微鏡（Momentum Microscope）と呼ばれる新しい装置が開発されている。これにより，フェルミ面（フェルミ準位における光電子の二次元波数分布）などを，高い空間分解能と飛躍的な実験効率で観測することが可能になった。ただし，試料に高電圧を印加する構成上，表面の凹凸が大きい試料の測定が難しいといった課題も残されている。一方，後者の分光顕微鏡法は，従来から広く用いられている手法であり，光電子を逐次的に取得（sequential acquisition）することで空間画像を得るものである。この手法では，空間分解能の上限は照射光のスポットサイズによって決まり，光をマイクロスケールやナノスケールに集光することが鍵となる。近年では，これを実現した顕微ARPES（マイクロARPESおよびナノARPES）と呼ばれる装置が開発され，局所領域の電子状態の空間不均一性を直接可視化することが可能となってきた。