(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査可能な探針に対応させた多重度が既知の分子を挿入し、入力電子の内、前記分子を通過できる電子は多重度に適合したスピンを持つものに限られ、出力された電子のスピンは挿入された分子の近傍では一定のスピン状態を維持する性質を利用し、前記分子の被占有軌道にアップスピンが入ることにより、出力近傍の電子のスピン状態をアップスピン状態に維持し、入力・出力間のスピン統計を制御するようにしたスピン・キャパシター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピン・ブロッケードと呼ばれる現象を利用して、物質中に電流場を形成することにより、その物質内のスピン統計を制御するスピン・キャパシターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スピン・ブロッケードと呼ばれる現象がある。この現象は、分子などのナノ・スケールの構造物の中を電子が通過するとき、その分子の性質により、通過しようとする電子のスピン状態によって、通過する割合に変化が生じる現象である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したスピン・ブロッケード現象は、今まで観測され難かった非局在電子のスピン状態を、分子との相互作用から検出し得る可能性を持っており、この相互作用を利用すれば、今までの負の電荷を持った電子の流れ（電流）だけで信号を伝播していた様々の素子に、スピンという新しい情報量を加えて伝播することが可能になる。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、最小の機能電子素子としてのスピン・キャパシターを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スピン・キャパシターにおいて、走査可能な探針に対応させた多重度が既知の分子を挿入し、入力電子の内、前記分子を通過できる電子は多重度に適合したスピンを持つものに限られ、出力された電子のスピンは挿入された分子の近傍では一定のスピン状態を維持する性質を利用し、前記分子の被占有軌道にアップスピンが入ることにより、出力近傍の電子のスピン状態をアップスピン状態に維持し、入力・出力間のスピン統計を制御するようにしたものである。
【０００６】
本発明によれば、このように、回路内に多重度の良く知られた分子（物質）を挿入すると、入力電子の内、分子を通過できる電子は多重度に適合したスピンを持つものに限られる。したがって、出力された電子のスピンは挿入された分子の近傍では一定のスピン状態を維持している。この性質を利用して入力・出力間のスピン統計を制御する。例えば、分子の被占有軌道にアップスピンが入るとすれば、出力近傍の電子のスピン状態は概ねアップスピン状態を維持している。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明に係るＳＴＭの概略図と動作原理を説明する図である。
【０００９】
この図において、１はサンプル（物質）表面、２はＳＴＭ探針、３は分子、５はＸピエゾ（Ｘ軸駆動圧電素子）、６はＹピエゾ（Ｙ軸駆動圧電素子）、７はＺピエゾ（Ｚ軸駆動圧電素子）である。
【００１０】
ＳＴＭは、物質表面１に鋭い探針２を近づけ、探針−物質表面間に電界を与え、その時流れる電流を一定に保つように、物質表面１を走査することにより、物質表面１の構造を観測する装置である。
【００１１】
物質表面１の走査は、ＳＴＭ探針２をｘ，ｙ，ｚの三方向から支える支持棒に分子（ピエゾエレクトリックな特性を持った物質）を用いて、電界を与えることにより、それぞれの方向に微小に移動させて行う。この時、ＳＴＭ探針２、物質表面１共に原子によって構成されていることを考慮すれば、ＳＴＭ探針２−物質表面１間では、原子スケールにおける電子同士の相互作用が起こることになる。換言すれば、ＳＴＭ探針２で物質表面１の構造を観測することは、点字をなぞるように部分部分の高低を探針２で検出し、全体像をコンピュータにより、再現することになる。
【００１２】
まず、分子軌道と電子のスピンの関係について説明する。
【００１３】
ここでは、例えば、サンプル（物質）１にはシリコン面〔Ｓｉ（１１１）〕と、その表面に吸着した水素原子を想定しており、また、ＳＴＭ探針２にはアルミニウムを想定している。アルミニウムは原子ではないが、探針２が原子スケールで尖鋭化しており、探針２尖端では分子的に振る舞うため、これを使用した。なお、これらの組合せは他の元素の組合せにおいても広く応用可能である。
【００１４】
図２は本発明のスピン・キャパシターの概略構成図である。
【００１５】
この図において、分子３としてはｕｐ（アップ）のスピン状態を取り易いものを選ぶ。例えば、物質表面１として、シリコン面を用い、水素原子を単独で吸着させると、系はこのような電子状態を取る。
【００１６】
ここでＳＴＭ探針２から様々なスピン状態を持った電子が分子３に流入しようとするが、分子３がＨＯＭＯ〔Ｈｉｇｈｅｓｔ  Ｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：最高占有分子軌道関数〕にｕｐ状態の電子を持っているため、ｕｐの入射電子は反発する。
【００１７】
結果として、入射側（ＳＴＭ２側）にはｕｐ状態の電子密度が高まり、物質表面１側にはｄｏｗｎ（ダウン）状態の電子密度が高まる。つまり、スピン・キャパシターが構成される。
【００１８】
図３は本発明における量子力学的概念を明示するための、分子エネルギー順序におけるＨＯＭＯとＬＵＭＯの関係を示す図、図４は本発明における一プロセスとしての電子を物質表面に与える過程の概念を示す図である。
【００１９】
図３（ａ）は電子の存在している最もエネルギーの高い軌道に電子が２個ある分子を示し、図３（ｂ）は電子の存在している最もエネルギーの高い軌道に電子が１個ある分子を示しており、各図の最上段は、ＬＵＭＯ（Ｌｏｗｅｓｔ  Ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｏｒｂｉｔａｌ：最低非占有分子軌道関数）の状態を、その次の段は、ＨＯＭＯの状態を示している。
【００２０】
分子や原子のようなミクロな系においては、エネルギー状態は、量子化され、飛び飛びの値しか取れない。この時、各状態にはそれぞれ電子が最大２個入ることが許されている。これら同じ状態にある電子は必ず異なるスピンを持つことが知られている（パウリの原理）。なお、図３において、↑，↓は電子を表す。また、これらの矢印の方向はスピンの向きを示す。この図のＨＯＭＯの状態にある電子が、分子の電子状態に強く影響する。
【００２１】
図４に示すように、三つの電子状態を持つ分子に外部から電子を加えると、それぞれ、与える電子のスピンのｕｐとｄｏｗｎの状態により、２つの場合が生じる。なお、図４において、（１）電子を与える前の分子のスピン状態は全てｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ（低スピン状態）である。（２）ｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ（高スピン状態）とはＨＯＭＯより低い順位に電子の入る軌道があるような状態を示す。また、ｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅとはＨＯＭＯより低い順位が全て電子で充填されているような状態である。（３）分子におけるエネルギー順位は、およそ、１ｅＶのオーダーである。ただし、通常のエネルギー順位と違って、物質表面やＳＴＭ探針のエネルギー順位はその形状によって変化するため、実験系ごとにエネルギー状態を予め測定しておく必要がある。
【００２２】
そこで、図４（ａ）に示すように、電子の存在している最もエネルギーの高い軌道に電子が２個ある分子の場合、ｕｐのスピンを持った電子を与えると、左下欄のような状態になり、ｄｏｗｎのスピンを持った電子を与えると、右下欄のような状態になる。この二つは共にｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅをつくるが、これらのエネルギー差は小さい。
【００２３】
図４（ｂ）に示すように、電子の存在している最もエネルギーの高い軌道に電子が１個ある分子の場合で、左欄のような状態にある場合、ｕｐのスピンを持った電子を与えると、左下欄のような状態になり、ｄｏｗｎのスピンを持った電子を与えると、右下欄のような状態になる。なお、右はｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ、左はｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅをつくり、概ねｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅの方が数ｅＶエネルギーが高い。
【００２４】
また、図４（ｂ）において、右欄のような状態にある場合、ｕｐのスピンを持った電子を与えると、左下欄のような状態になり、ｄｏｗｎのスピンを持った電子を与えると、右下欄のような状態になる。なお、左はｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ、右はｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅをつくる。
【００２５】
以下、上記を整理して説明すると、分子の電子状態は、ＨＯＭＯと言って、最も高いエネルギー状態にある電子の性質に強く影響を受ける。一個の電子状態（軌道）には最大２個の電子が入ることができるが、２個入るときには、これら電子のスピンは互いに異なるものでなくてはならない。また、この分子にさらに一個の電子を加えるとき、その電子は占有されていない最も低いエネルギー状態を持つ軌道に入れることができる。ここで、この軌道に外部（例えば、ＳＴＭ探針）から一個の電子をサンプル分子に加えるときの分子のスピン状態の変化を場合分けして示す。
【００２６】
【表１】
0003597352.tif 000002
この表から分かるように、ＨＯＭＯに電子が一つしかないような分子においては、ＨＯＭＯの電子のスピンと同じスピンを加えると、ｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ（高スピン状態）が得られる（例えば、ｕｐにｕｐを加えると、ｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅとなる）。
【００２７】
同様にして、ＨＯＭＯの電子のスピンと違うスピンを加えると、ｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅが得られる。したがって、ＨＯＭＯの電子のスピン、与える電子のスピン、得られる最終状態、これら三つのうちいずれか二つが分かれば、他の一つは必然的に導出される。
【００２８】
今、仮にＳＴＭの探針にスピン電子状態が良く知られている分子を付着させてみる。このＳＴＭ探針を用いてサンプル表面を走査すれば、観測されるエネルギー状態の高低により、サンプル表面のスピン状態が得られることになる。（通常、ｈｉｇｈ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅ  はｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅよりエネルギー状態が高い。）…（１）
次いで、ＨＯＭＯに電子が二つ入って閉殻を形成しているとき、与える電子がｕｐであれｄｏｗｎであれ、ｌｏｗ  ｓｐｉｎ  ｓｔａｔｅが得られる。この二つには差があることもあり得るが、極めて小さいことが予想される。…（２）
上記（１）と（２）から、通常のＳＴＭ探針（例えば、金属探針）でサンプル・イメージを得て、続けてＳＴＭ探針にＨＯＭＯの電子がｕｐ状態を取り易い分子を付着させて再び同じサンプルを観測したとする。
【００２９】
このときの観測を初めの通常のＳＴＭ探針による観測と比較すると、次の関係が得られる。ここで、ＳＴＭで観測されるエネルギー・ギャップとは、探針−表面間に流れる電流の流れ難さを表している。
【００３０】
【表２】
0003597352.tif 000003
次に、分子によるスピン選別について説明する。
【００３１】
図２に示すように、ｄｏｗｎ状態のスピンをＨＯＭＯに持つ分子に電流を流す。例えば、この分子を導体の表面に置き、分子上にＳＴＭ探針を位置し、接触させる。あるいはトンネル電流が流れる程度の位置に止める。ＳＴＭの探針から分子に電子をトンネルさせる時、通常の金属探針であれば、電子のスピンはあらゆる方向を取っていることが考えられる。しかし、分子内に入れる電子はｕｐのスピンを持っているものに限られる。ここで、分子の手前で反発した電子はｄｏｗｎのスピン状態を持っており、ＳＴＭ探針内に止まる。また、分子を通り抜け、基板表面に抜けた電子はｕｐのスピン状態を持っている。ただし、トンネル効果によって分子を通り抜けてゆく電子も僅かにあり、これらはこの規則の範囲に束縛されない。
【００３２】
このプロセスにより、こういった特性を持つ分子の近傍において、電子の入力側にはｄｏｗｎのスピン状態を持った電子の密度が増え、出力側にはｕｐのスピン状態を持った電子の密度が増える確率が高まる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、最小の機能電子素子としてのスピン・キャパシターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＴＭの概略図と動作原理を説明する図である。
【図２】本発明のスピン・キャパシターの概略構成図である。
【図３】本発明における量子力学的概念を明示するための、分子エネルギー順序におけるＨＯＭＯとＬＵＭＯの関係を示す図である。
【図４】本発明における一プロセスとしての電子を物質表面に与える過程の概念を示す図である。
【符号の説明】
１    サンプル（物質）表面
２    ＳＴＭ探針
３    分子
５    Ｘピエゾ（Ｘ軸駆動圧電素子）
６    Ｙピエゾ（Ｙ軸駆動圧電素子）
７    Ｚピエゾ（Ｚ軸駆動圧電素子）
【図１】
0003597352.tif 000004
【図２】
0003597352.tif 000005
【図３】
0003597352.tif 000006
【図４】
0003597352.tif 000007