表面科学 Vol. 35, No. 12, pp. 656-661, 2014
特集「表面・界面の超高速ダイナミクス」

研究紹介

光ポンププローブ STM
重川秀実・吉田昭二・武内筑波大学数理物質系 〠 305-8573

修

茨城県つくば市天王台 1-1-1（2014 年 8 月 13 日受付；2014 年 9 月 9 日掲載決定）

Optical Pump-Probe Scanning Tunneling Microscopy
Hidemi SHIGEKAWA, Shoji YOSHIDA and Osamu TAKEUCHI
Faculty of Pure and Applied Science, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305-8573(Received August 13, 2014 ; Accepted September 9, 2014)
A new microscopy, optical pump-probe scanning tunneling microscopy (OPP-STM), which enables femtosecond
temporal resolution and atomic spatial resolution simultaneously, has been realized by combining STM with quantum
optical method. Using circularly polarized light for excitation, the measurement of local ultrafast spin dynamics has also
become possible. Detection of spin precession has enabled to provide local information of g-factor. Here, the bases forthe new microscopy techniques are overviewed.
KEYWORDS : STM, femtosecond laser, ultrafast phenomena, time-resolved STM, pump-probe method

1．はじめ

電池の局所的な特性の情報を得ること 14)などが可能になにる。また，光励起とバイアス電圧を併せ用いることで，表面科学の進展により，制御された表面や界面を舞台相転移の制御や 15)，分子伝導の解析 16)が，さらに，超短として，電気化学や触媒など複雑な系まで含めた様々なパルスレーザーと組み合わせることで，局所的な量子過分野の基礎的な過程を精密科学として扱うことが可能に程のダイナミクスをスピンまで含めて調べることが可能なった 1〜6)。また最近では，グラフェンやトポロジカルになった 17〜24)。光電子分光 25)や電子線回折 26)などの各種絶縁体/超伝導体など，二次元的な特性を利用した新し計測法でも時間分解測定の開発が盛んに進められておい物性の創出や新しい機能デバイス開拓のための研究もり，「ダイナミクスの解析」は今後の研究の重要な方向注目を集めているが7〜9)，こうした展開にも表面科学のの一つと考えられる。

技術が大きな役割を担っている。しかし，今後，さらに本稿では，これまで進めてきた光励起 STM の研究の新しい物性（機能）を見いだし活用することと併せ，新中で，光学的ポンププローブ法（OPP 法）を組み合わしい発想に基づく新しい工学概念の導入を実現していくせることで実現した時間分解 STM（光ポンププローブには，これまでにない新しい情報を得ることを可能にす

STM : OPP-STM）技術の概要を紹介する。

る実験技術の開拓が重要な鍵となる。
我々 は 10 年 以 上 に 亘 り，走 査 ト ン ネ ル 顕 微 鏡 法

2．時間分解 STM を可能にするには（STM) 5, 6) に量子光学の技術 10) を融合する試みを進めて

1982 年に発明された STM 5, 6)は，原子レベルの空間分きた。トンネル分光法と組み合わせてフォトボルテージ解能を持つことから様々な分野で用いられ，多くの成果

11)を測定すると（光変調トンネル分光法) ，pn 接合に注12)があげられてきた。しかし，時間分解能は悪く，発明さ入される電荷を可視化したり ，単一原子レベルの欠陥れて以来，装置開発が多くの研究者により成されてきたに捕獲されたキャリアーやポテンシャルの評価 13)，太陽が 18, 27, 28)，通常，ミリ秒からサブミリ秒，特別な場合でもマイクロ秒程が限界で，ナノ秒やピコ秒の高速ダイナ//

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ミクスを追うには十分ではなかった。本稿の主題であ

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る，フェムト秒の時間分解能を可能にする超短パルスレ

ればよく，相転移やフォノンの検出も可能である。プローザーとの組み合わせで時間分解能を高める試みも盛ん

ーブはトンネル電流であるが，OPP 法同様，二つの励に行われてきたが18, 29)，かなわなかった。異なる先端技術を組み合わせる場合，それぞれの要素技術を達成する
ことに加え，各々の特徴を生み出すための技術が干渉して新たな課題になるためで，実際，本手法の開発におい起光を，ポンプ光，プローブ光と呼び，通常，両光強度を等しくして実験を行う。

4．遅延時間変調法ても様々な問題が現れたが，中でも大きな障害となった

Fig. 2 に二つの遅延時間変調方法の模式図を示す。の は，光励起に伴う探針や試料 の熱 膨 張の問 題 であ（a）は通常のロックイン検出で用いられるように遅延時る 30)。

間をサイン波的に変調するもので，出力の ω 成分は時間分解信号は非常に微弱であるため，ロックイン検（b）は，変調を矩形波的にI(t d)の微分信号を与える 5)。

出が必要不可欠である。ロックイン検出では，励起過程行い，片方（t max）を信号が十分減衰する大きな遅延時をある振動数で変調し，対応して変化する信号を取り出間（t ∞）に設定することで I(t d)そのものが得られる 19)。

すことでノイズに埋もれる微弱な信号の検出を可能にす
5)る 。しかし，通常の OPP 法で用いられる励起光の強度

4. 1

機械的（サイン波的）変調法

Fig. 2（c）は，ポンプ光とプローブ光に光路差を持た変調では探針や試料が熱膨張を起こす。STM では探針-せる光学系（図中 Shaker）を，Fig. 2（a）のようにサイ試料間距離が 0.1 nm 変化するとトンネル電流が一桁変ン波で微小に振動させて遅延時間の変調を行う方式の模化する。この高い感度が原子レベルの分解能を与える基式図である。鏡を機械的に移動させることで制御するた盤であるが，光と融合する場合には乗り越えるべき重要

め，遅延時間を速く大きく振ると，振動が乗って光軸がな課題となる。一つの方法は，強度変調の代わりにポン変化してしまうが，超高速現象（＜1 ps）を追う場合はプ光とプローブ光の間の遅延時間を変調して参照信号に簡便に適用できる。ポンププローブ法を用いて光学的なすることで，平均的な光強度が変化せず，熱膨張の問題研究を行っている場合，こうした仕組みを使用する場合を解決することが可能になった。

が多く，STM を組み合わせることで導入が容易である。

3．OPP 法と OPP-STM

4. 2

デジタル（矩形波的）変調法

Fig. 2（d）は，高速のポッケルスセル（応答時間〜2Fig. 1 に，（a）OPP 法と（b）OPP-STM の模式図を示ns）を用いることで，遅延時間を Fig. 2（b）のように矩す。OPP 法では，パルス対（ポンプ光とプローブ光）形波で，高速に大きな振幅で変調することを可能にしたの列を試料に照射し，ポンプ光で励起された試料の状態システムの模式図である。機械的変調法に比べ，( 1 )遅の変化をプローブ光の反射率（R）や吸収率の遅延時間延時間を高速（〜1 kHz）に変調しロックイン検出を行（ポンプ光とプローブ光の間の時間差）依存性として取うことが可能で，トンネル電流のノイズを〜1/10 にり出す 10)。これは，たとえば，ポンプ光により励起され（Fig. 3（a）），また，( 2 )大振幅で変調することで，信たキャリアーが励起状態に存在するとプローブ光の励起号の微分値ではなく I(t d)の絶対値（ΔI＝I(t d)−I(t ∞)）が抑制される過程（吸収飽和）を利用するものである。

を直接測定することが可能で，信号強度も 10 倍ほどに一方，OPP-STM では，吸収飽和による励起キャリアーなる（Fig. 3（b）
，4.1 節では微分信号を積分して絶対値の変化を，トンネル電流（I）の遅延時間依存性としてを得る）。( 1 )( 2 )により，測定時間を〜1/10000 に短測定する 19)。半導体の場合は表面フォトボルテージ 11, 12)

縮することが可能になり，ダイナミクスを可視化するこなどを利用するが，光励起によりトンネル電流が変化すとや 19)，単一原子レベルでの測定 23)が実現した。
Fig. 4 は，Co/GaAs(110)表面に時間分解 STM を適用した例である。光励起により表面に蓄積したホールがSTM 探針からのトンネル電流と，Co の吸着により生成されたギャップ内準位を介して再結合する。図は，ホール捕獲のダイナミクス（ホールの減衰定数）を STM 像の観察（Fig. 4（a））とあわせて測定し，減衰定数の値を空間的にマッピングしたもの（Fig. 4（b））である。
両者を重ねると，STM 像と減衰定数の変化は空間的にFig. 1. (color online). Schematic illustrations of (a) OPP
method and (b) OPP-STM.

表面35-12_03_重川.mcdPage 3）。減衰定数像の断面（d）
良く一致している（Fig. 4（c）に見られるように，空間分解能は原子レベルである 19)。

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Fig. 5 は Fig. 4 と同様の過程を，単一原子レベルで解析した例で，GaAs(110)表面に Mn 原子を吸着させた構造の（a）模式図と STM 像，および，（b）Mn 原子の真上で測定した時間分解スペクトルである。Ga 原子がMn 原子で置換された構造により，Co の場合と同様ギャップ内準位が形成され，光励起により表面に捕獲されたホールがギャップ内準位において探針からのトンネル電流と再結合する 19, 23)。スペクトル（b）は，ギャップ内準位によるホールの捕獲（捕獲によるホール密度の減衰）の様子を表している。
（c）は，吸着原子が作る粒子の大きさに対する減衰時間（捕獲レートの逆数）の変化を Fe や Co 原子を吸着させて得られた場合の結果とあわせて，まとめたものである 19, 23)。詳細を理解するには，温度依存性やスピンなどを考慮した解析が必要であるが，図に見られる原子の種類によるホール捕獲レートの大小関係は，ギャップ内準位の深さの相対的な関係と良く一致している 31)。
4. 3
4. 3. 1

スピンを観るには光学的スピン配向

これまで述べた変調法ではレーザー光として直線偏光を用いているが，円偏光を用いることでアップスピンやダウンスピンを選択的に励起することができる 32)。たと
えば，GaAs の価電子帯は重いホールと軽いホールからなるバンドと，スピン軌道相互作用によるバンドが分裂
Fig. 2. Two-type delay time modulation of (a) sine-waveand (b) rectangular-wave. (c) OPP-STM with a sine-wave
modulation. (d) OPP-STM with a rectangular-wave modulation. I * : raw signal. I : signal after preamplifier. ΔI : OPPSTM signal. t d : delay time, t max : maximum delay time, t ∞ :delay time considered to be infinite, L d : optical length
producing delay time t d.

Fig. 3. (a) Power spectrum of tunneling current. (b)Differential signal (upper) obtained by the sine-wave
modulation for GaNAs and its integration (lower) whichcorresponds to the (absolute) signal expected by therectangular-wave modulations.

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Page 4している。励起光の波長を調整して重いホールと軽いホールのバンドのみを励起すれば，50% のスピン偏極率

Fig. 4. (a) STM image of Co/GaAs(110) structure, (b) decay
constant map obtained over the area in (a), and (c) overlay of(a) and (b). (d) Cross-section along the line in (b).

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重川秀実・吉田昭二・武内が得られる。量子井戸ではバンドがさらに分裂してお32)

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により観察できることになる。さらに，磁場を印加するり，偏極率 100% での励起が可能になる 。円偏光を用とスピンは歳差運動を行うが，その様子も同じ仕組みでいると，ポンプ光とプローブ光により励起されるスピン観察される。の向きにより吸収飽和が起こることから，ポンプ光によ4. 3. 2

り励起されたスピンが緩和する様子をポンププローブ法

Fig. 6（a）は，円偏光の変調を用いた測定方式の模式円偏光の変調図ある。スピンを含まない場合に比べて少し複雑になるが，ポンプ光，プローブ光，両ビームラインの直線偏光

Fig. 5. (a) STM image of Mn/GaAs structure, (b) timeresolved spectrum obtained above Mn atom : a long lifetimecomponent (〜100 ns) originating from the effect of surrounding Mn atoms is not shown here (V s＝＋2.0 V, I t＝150 pA,RT) and (c) decay constants obtained for (Co, Fe, Mn) /GaAs(110) structures as a function of metal size.

Fig. 7. (a) Magnetic-field dependence of spin precession as afunction of delay time (V s＝ ＋2.5 V, I t＝ 3 nA, 2.5 K). (b)Spin-orientation signal for the delay time of 2.3 ps measured
crossing a 6 nm quantum well (V s＝＋4.0 V, I t＝10 nA, RT).

Fig. 6. Schematic illustrations of (a) experimental setup with the modulation of circularly polarized light for
spin detection and (b) phase shift between pump and probe pulses. L and R indicate left-handed and righthanded circularly polarized lights, respectively. P.C. : pockels cell, t d : delay time between pump and probe
pulses, M : mirror Vs : bias voltage.

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をポッケルスセルを用いて 1 MHz で 90° 回転させるこ

原子を追い続ける方法) 5, 6) など STM の基本技術を活用とにより，右回り円偏光，左回り円偏光を交互に生成すすることになる。その他，光軸の調整や光学系の選択，る。レーザーは 90 MHz で発振しており，各ブロックに測定条件の最適化など，諸々の要素技術が必要になるは 90 パルスが含まれる。ここで，ポンプ光とプローブが，このあたりは，実際に実験を行う場合に，扱う試料光の変調周波数に 1 kHz の差を持たせる（たとえば，片や対象とする物理の内容も含めて検討し，効率の良い工方を 1001 kHz にする）と，Fig. 6（b）のように，ポン夫を取り入れることになる。

プ光とプローブ光の相対的な位相が 1 kHz で変化する。
つまり，ある遅延時間 t d におけるポンプ光とプローブ

6．終 わ り に

光の励起に対し，右（左）回り-右（左）回りと右（左）3 章でも少し触れたが，OPP-STM では，ポンプ光に回り-左（右）回りの割合が 1 kHz で変化する。この周よる励起過程がプローブ光による励起に与える影響をト波数（1 kHz）をロックイン検出に用いると，光励起のンネル電流の変化として取り出せれば良く，詳細は割愛

平均強度を変化させることなく（熱膨張の問題を避けするが，フォノンや光誘起相転移などの測定も可能であて）変調が行える（ロックイン検出が可能になる）。そる。現在，これら系を対象とした実験を進めている。まこで，この変調と併せて遅延時間 t d を変化させると，た，スピン偏極 STM 5, 6, 35) と組合せることで，より詳細遅延時間の関数としてスピンの信号を取り出せることになスピンのダイナミックスの情報を得られる可能性があなる。詳細は文献を参照されたい 24)。

る。さらに，マルチプローブと組み合わせることで，ナFig. 7（a）は，スピン歳差運動の測定結果で，磁場のノスケールの伝導特性や量子相関のダイナミクスを，周三つの値に対しラーモア周波数が変化する様子を表して囲の環境を良く制御した状態で直接計測することも可能いる。結果を明確にするため，スピン緩和寿命が長くなと考えられ，準備を進めているところである。

る，金属絶縁体転移を起こす近辺のドープ量（n 型：Si16−3

時間分解 STM について，最近，他のグループでも進。STM によ展が見られ始めた 36)。最初に述べたように，新しい物性

り歳差運動を実時間で観察した初めての結果である。印（機能）を見いだし活用することと併せ，新しい発想に加磁場の大きさと観察される振動周期の関係から，局所基づく新しい工学概念の導入が求められており，これまドープ，2×10 cm ）の試料を用いた的な g 因子の評価が得られる

32, 33)24, 32, 33)。

Fig. 7（b）は，AlGaAs/GaAs/AlGaAs 量子構造（井戸幅 6 nm）中に配向したスピンを励起し，緩和する様子でにない新しい情報を得ることを可能にする実験技術の一つの方向として，本手法の展開が，関連分野で何かしらの役割を担うことができれば幸いである。

を観察した例である。左の図にあるように，光励起で配列したスピンの方向が時間とともに乱れていく。右図
は，遅延時間を 2.3 ピコ秒に固定し，量子井戸を横切って信号強度の変化を測定した結果である。図に見られるように量子井戸の箇所に信号が確認されており，これは，ポンプ光照射後 2.3 ピコ秒のスピン配列の度合いを示している。STM 像を確認し，場所を特定して測定を行えることで，こうした計測が可能になった。OPP 法やマクロな測定では多重量子井戸を用いた計測が行われており 34)，両者の比較は興味深い。また，OPP-STM を用いると，たとえば，数個の非周期構造を持つ両ドットなどを対象として，量子相関や環境の影響を評価することも可能になる。詳細は文献を参照されたい 24, 32)。

5．そ の 他 の 技 術
本稿では，主に遅延時間変調の方法を紹介したが，光励起を安定に行い微弱な信号を取り出すためには，スポットサイズの絞り込みや光学系のフィードバックなどの工夫も必要になる。また，単一原子を対象とした測定では，必要に応じてアトムトラッキング（測定を行いたい

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Page 6謝辞

本研究は，CREST，文部科学省研究費（22226003）の助成を受けて得られた結果である。

文献

1) 日 本 表 面 科 学 会 編 : “表 面 科 学 の 基 礎” (共 立 出 版,2013).
2) 日 本 表 面 科 学 会 編 : “表 面 新 物 質 創 成” (共 立 出 版,2011).
3) 日本表面科学会編 : “ひとの暮らしと表面科学” (共立出版, 2011).
4) C. Dupas, P. Houdy and M. Lahmani (Eds) : “Nanoscience” (Springer, Berlin, Heidelberg, 2007).
5) 重川秀実, 吉村雅満, 河津 璋編 : “走査プローブ顕微鏡―正しい実験とデータ解析の為に必要なこと” (共立出版, 2009).
6) 重川秀実 : “朝倉物性物理シリーズ, 極限実験技術・走査プローブ顕微鏡” (朝倉書店, 2003).
7) A.K. Geim and K.S. Novoselov : Nat. Mater. 6, 183(2007).
8) 安 藤 陽 一 : “ト ポ ロ ジ カ ル 絶 縁 体 入 門” (講 談 社,2014).

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20) S. Yoshida, Y. Terada, R. Oshima, O. Takeuchi and H.
Shigekawa : Nanoscale 4, 757 (2012).
21) M. Yokota, S. Yoshida, Y. Mera, O. Takeuchi, H. Oigawa
and H. Shigekawa : Nanoscale 2013, 9170 (2013).
22) S. Yoshida, Y. Terada, M. Yokota, O. Takeuchi, H.

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Page 7修661Oigawa and H. Shigekawa : Eur. Phys. J. Spec. Top. 222,1161 (2013).
23) S. Yoshida, M. Yokota, O. Takeuchi, H. Oigawa, Y. Meraand H. Shigekawa : Appl. Phys. Express 6, 032401(2013).
24) S. Yoshida. Y. Aizawa, Z. Wang, R. Oshima, Y. Mera, E.
Matsuyama, H. Oigawa, O. Takeuchi and H. Shigekawa :Nat. Nanotechnol. 9, 588 (2014).
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