[論文レビュー] Spin-polarized photoemission from graphene: Joint effect of sublattice interference and spin-orbit coupling to substrate

Ferdinand Kuemmeth, É. I. Rashba|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2009

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、グラフェンにおけるスピン極性光電子放出が、サブラットスイズ干渉と基板へのスピン軌道結合の相互作用によって、ブリユアンゾーン中心から離れた準粒子に対して完全なスピン反転を引き起こすことを示している。この効果は高ランクスピンルーチン状態に起因し、光電子放出における特異な角度分布を生じさせ、2次元系における非自明なスピンダイナミクスを明らかにする。

ABSTRACT

Spin- and angular-resolved photoemission spectroscopy is a basic experimental tool for unveiling spin polarization of electron eigenstates in crystals. We prove, by using spin-orbit coupled graphene as a model, that photoconversion of a quasiparticle inside a crystal into a photoelectron can be accompanied with a dramatic change in its spin polarization, up to a total spin flip. This phenomenon is typical of quasiparticles residing away from the Brillouin zone center and described by higher rank spinors, and results in exotic patterns in the angular distribution of photoelectrons.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合とサブラットスイズ干渉がグラフェンの光電子放出スピン極性に与える影響を調査すること。
• ブリユアンゾーン中心から離れた準粒子状態が光電子放出中に異常なスピン極性変化を示す仕組みを理解すること。
• スピン軌道効果に起因するスピンおよび角度分解光電子分光スペクトルにおける特異な角度分布の起源を解明すること。
• 強いスピン軌道結合を示す低次元系におけるスピン極性光電子放出を記述する理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• スピン軌道結合項を含むタイトバインディングハミルトニアンを用いたスピン軌道結合グラフェンの理論的モデリング。
• 運動量空間におけるスピンテクスチャを記述するための高ランクスピンルーチン波動関数を用いた準粒子状態の分析。
• スピン軌道結合およびサブラットスイズ依存の遷移振幅を組み込んだ光電子放出行列要素の計算。
• スピンおよび角度分解検出下での光電子の角度分布パターンのシミュレーション。
• スピン反転が発生する条件を特定するために群論および対称性解析の活用。
• ブリユアンゾーン内の異なるスピン軌道結合強度および運動量位置における光電子分光スペクトルの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブラットスイズ干渉は、スピン軌道結合を有するグラフェンにおいて、光電子として放出される電子のスピン極性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ブリユアンゾーン中心から離れた準粒子に対して、光電子放出が完全なスピン反転を引き起こす条件は何か？
• RQ3 準粒子状態の高ランクスピンルーチン性は、光電子放出スピンパターンにどのように寄与するか？
• RQ4 なぜスピンおよび角度分解光電子分光スペクトルにおいて特異な角度分布が生じるのか？
• RQ5 サブラットスイズ構造とスピン軸道結合の相互作用は、光電子のスピンテクスチャをどのように変化させるか？

主な発見

• スピン軌道結合グラフェンからの光電子放出は、初期状態の準粒子状態が明確なスピン極性を有していても、完全なスピン反転を引き起こす可能性がある。
• スピン反転効果は、ブリユアンゾーン中心から離れた準粒子で顕著に現れ、高ランクスピンルーチン状態が支配的である領域で顕著である。
• サブラットスイズ干渉が光電子放出行列要素を調整し、非自明なスピン依存の放出パターンを生じさせる。
• スピン軌道結合とサブラットスイズ対称性の破れの共同作用によって、光電子の特異な角度分布が生じる。
• この現象は光電子放出プロセス固有のものであり、電子状態とスピン極性遷移の選択則の相互作用に起因する。
• 強いスピン軌道結合を示す系においてもこの効果は安定しており、スピンおよび角度分解光電子分光法によって検出可能である。