ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science
ナノスケール物性科学は、物質表面付近での原子・分子レベルでの現象から無限系の量子輸送まで幅広い時空間スケールで生じる物理・化学現象
をその対象とする。この分野が発展してきた背景には、超薄膜成長技術、極微細加工技術、各種
表面評価手法、走査プローブ顕微鏡による局所測定技術などの発達がある。当部門では、これらを統合的に用いてナノスケール物性科学に取り組んでいる。
研究テーマの一部を以下に示す。
・物質の人工微細構造、複合微細構造において展開される量子・スピン輸送、・走査プローブ顕微鏡を用いた局所電子状態や伝導現象の研究、・固体表面において発現する新奇複合物質や表面状態、ナノスケール構造の物性、・表面化学反応等のミクロな動的過程の研究、およびこれを利用した新物質の創成、・各種超薄膜のエピタキシャル成長と機能物性

A wide range of phenomena from atomic ormolecular processes at solid surfaces to quantum
transport in infinite systems are listed as the subjectsof nanoscale science. The prosperity of such fields
are sustained by the development of ultra-thin film
growth, nano-fabrication, various surface characterization, local measurements with scanning probe
microscopes, etc. In Division of Nanoscale Science,
we integrate such techniques to study various subjects
such asQuantum and spin transport in artificial nanoscaleor hybrid systems,
Study of local electronic states and transport byscanning probe microscopes,
Transport, magnetism and other properties ofnovel materials at solid surfaces,
Microscopic analysis of dynamical processes suchas chemical reaction at surfaces, and creation of newmaterial phases,
Epitaxial growth of ultra-thin films and device
applications.

開拓。

教

授

勝本

信吾

助

教

遠藤

彰

特任研究員

浅川

寛太

教

授

大谷

義近

助

教

高橋

竜太

特任研究員

岩田

孝太

教

授

小森

文夫

助

教

吉田

靖雄

特任研究員

杉本

聡志

教

授

長谷川

助

教

中村

壮智

特任研究員

肥後

友也

教

授

リップマー

ミック 助 教

宮町

俊生

特任研究員

ムドゥリ プラサンタ クマール

教

授 *1

𠮷信

淳

助

教

一色

弘成

特任研究員

ヤン

ホンシャン

三輪

真嗣

技術専門職員

飯盛

拓嗣

特任研究員

吉田

昭二

松本

祐司

技術専門職員

橋本

義昭

学振特別研究員

レオ ナエミ リカーダ

晋

技術専門職員浜田雅之

技術専門職員 *1 向井

孝三

Professor
Professor
Professor
Professor
Professor
Professor

准教授 *2

KATSUMOTO, Shingo
OTANI, Yoshichika
KOMORI, Fumio

幸雄

YOSHINOBU, Jun

Associate Professor MIWA, Shinji

教授（客員）

Visiting Professor

MATSUMOTO, Yuji

教授(外国人客員） 髙橋
Visiting Professor

Research Associate TAKAHASHI, Ryota
Research Associate YOSHIDA, Yasuo

HASEGAWA, Yukio
LIPPMAA, Mikk

Research Associate ENDO, Akira

TAKAHASHI, Susumu

Project Researcher
Project Researcher
Project Researcher

Research Associate NAKAMURA, Taketomo Project Researcher
Research Associate MIYAMACHI, Toshio
Research Associate ISSHIKI, Hironari
Technical Associate IIMORI, Takushi

Technical Associate HASHIMOTO, Yoshiaki

Project Researcher
Project Researcher
Project Researcher

Technical Associate MUKAI, Kozo

*1 所内兼務。本務は機能物性研究グループ。 / concurrent with Functional Materials Group*2 所内兼務。本務は量子物質研究グループ。 / concurrent with Quantum Materials Group

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IWATA, Kota

SUGIMOTO, Satoshi
HIGO, Tomoya

MUDULI, Prasanta Kumar
YANG, Hung Hsiang
YOSHIDA, Shoji

JSPS Research Fellow LEO,Naemi Riccarda

Technical Associate HAMADA, Masayuki

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

ASAKAWA, Kanta

ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/
labs/katsumoto_group.html

勝本研究室

勝本

信吾

KATSUMOTO, Shingo

教授

Katsumoto Group

Professor

半導体や金属の超薄膜成長技術、これらを微細加工する

中村

壮智

遠藤

彰

NAKAMURA, Taketomo ENDO, Akira

助教

Research Associate

助教

Research AssociateWith epitaxial growth of semiconductor and metallic films,
and nano-fabrication techniques, we study quantum effects inlow dimensional systems. Our research also spans some applications of the physics of electron and nuclear spins to so called
spintronics.
To expand the concept of quantum transport to spin degree of
freedom, we have tried to create spin currents in quantum structures. A new type of magnetoresistnce is found in transport ofspin polarized electrons injected from epitaxially grown Fe films
into quantum well structures with strong spin-orbit interaction.
A new method to obtain information on the dispersion
relation of edge-magnetoplasmon in quantum Hall edge stateshas been developed. The method utilizes transmission of microwave through the two-dimensional electron gas, the area of
which is controlled through the gate voltage. We expect theapplication to the fractional quantum Hall state with surface
potential modulation.

技術を用いて、量子井戸、細線、ドットなどの低次元系の量子効果、多体効果を調べている。また、電子スピン、核
スピンを使ったスピントロニクス研究を行なっている。
量子輸送現象をスピン自由度に広げる研究として、スピン軌道相互作用とナノ構造を組み合わせる試みを行っている。
エピタキシャル成長した鉄層からのスピン注入とスピン軌道
相互作用の強い量子井戸構造に生じるスピン量子干渉効果の組み合わせによる新しいタイプの磁気抵抗を見出した。伝
統的な量子ホール効果の新しい側面、エッジ磁気プラズモ
ンの分散関係について、ゲート電圧により伝導領域を制限することによりマイクロ波の透過係数から情報を得る手法を開発した。ポテンシャル変調を加えた分数状態の研究への適用が期待される。

左：スピン軌道相互作用の強い InGaAs2 重量子井戸構造に現れた磁気抵抗を、磁場強度と [110] 方向からの磁場方向角度の２次元面にカラープロットしたもの。磁気抵抗の符号が [100](45º) 付近と [010](90º) 付近で反転している。右：面内磁場角度に対する磁気抵抗振幅の極座標プロット。

マイクロ波透過率をゲート直流電圧と周波数の関数としてグレースケールプロット
したもの。エッジ磁気プラズモン励起による吸収は、ピーク ( 白色 ) として現れている。黄色い線で示したのは、基本モードに対する理論計算結果。

Left: Color level plot of the magnetoresistance of a double quantum welldevice (InGaAs) with spin-orbit interaction as a function of field strengthand angle from [110]. The sign is reversed around [100] (45º) and [010](90º). Right: Polar plot of magnetoresistance amplitude for the in-plane field
direction.

Grayscale plot of the gate bias Vg and frequency f dependence of the microwave transmission Δ . Edge-magnetoplasmon excitations are observed as
peaks (lighter tone). Thick yellow curve in depicts calculated egde-magnetoplasmon excitation frequency vs. Vg for the fundamental mode.

研究テーマ Research Subjects
1.   量子電荷・スピン輸送現象
Quantum transport in charge and spin freedoms
2. 量子構造を用いた多体効果の研究
Study of many-body effects in quantum structures
3. 異対称性ハイブリッド構造に生じる物理現象
Physics at interfaces between the phases with different symmetries

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ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/otani_group.html

大谷研究室

大谷

義近

OTANI, Yoshichika

Otani Group教授

Professor

20 世紀末にスピン角運動量の流れであるスピン流という一色弘成

ISSHIKI, Hironari

助教

Research Associate

ントロニクス素子の研究開発を行っている。

The concept of spin current, the flow of spin angularmomentum, appeared in the end of 20th century. Spintronics
has developed as a new approach which utilizes the combinedfunction of charge current and spin current. The methods ofgeneration, transmission and detection of spin current havebeen well established in the recent decade. The research of
spintronics is entering a new phase, recently revealing new spin
mediated-interconversions among quasi-particles in solid, suchas electron, spin, phonon, photon and magnon etc. These “spinconversion” phenomena often manifest in the nano-scale region
at simple interfaces of various materials, and thus, have great
versatility and application possibility. Our fundamental research
explores the new physics of spin conversion and clarifies theirmechanisms. We also develop the spintronics devices in which avariety of spin conversion can be controlled, using nanofabrication techniques.

非磁性金属 (NM)/ 酸化ビスマス (Bi2O3) 界面状態のラシュバ分裂の見積もり。NM/
Bi2O3 界面のラシュバパラメータの大きさと符合は、NM の種類 (Cu, Ag, Au) に依存2する。これは、界面状態の電荷密度 |ψ | の非対称性が、NM と Bi2O3 の仕事関数の差で決まる内部電場 Einter にりり変調される結果であることが明らかになった。(a)NM/2
Bi2O3 界面とラシュバ分裂の概略図。(b) NM/Bi2O3 界面近傍の |ψ | と電位 V の空間分布。

分子 / 金属界面で初めて観察されたスピン流 - 電流変換効果 : スピンポンピング方による。鉛 (II) フタロシアニン (PbPc) と金属の界面を設計することにより、ラシュバ分裂した界面状態を発現させた。(a)PbPc/Cu 界面の概略図 (b) 外部磁場 (Hres) に対す
る、スピン流 - 電流変換由来の電圧信号の対称成分 (Vsym)。青線、赤線はそれぞれ
NiFe/Cu/PbPc、NiFe/Cu/H2Pc の測定結果。Cu/PbPc 界面が存在する試料ではスピン流 - 電流変換に起因する明確な信号が現れる。

Estimation of the Rashba splitting in Non-Magnetic metal (NM)/bismuthoxide (Bi2O3) interface state. The magnitude and sing of the Rashba parameter at NM/Bi2O3 interface strongly depend on the NM (Cu, Ag, Au). This is
the results of the modulation of the asymmetric feature of the charge density|ψ 2| by the interface electric field Einter which is defined by the work function
difference for NM and Bi2O3. (a) The schematics of NM/Bi2O3 interface andthe Rashba splitting. (b) Spatial distribution of |ψ 2| and electric potential V
near the interface.

Spin-charge current conversion at molecule/metal interface observed bymeans of spin pumping method. Rashba splitting arises at carefully designed
interface of lead (II) phthalocyanine (PbPc) and Cu. (a) The schematicsof the PbPc/Cu interface. (b) The symmetric component of voltage signal(Vsym) attributed to the spin-charge current conversion at the interface as
the function of the external magnetic field (Hres). The blue and red lines are
for NiFe/Cu/PbPc and NiFe/Cu/H2Pc sample, respectively. A clear signal
appears in the sample with PbPc/Cu interface.

概念が登場し、電流とスピン流を結びつけて効果的に利用する学理体系としてスピントロニクスが発展してきた。過去
１０年の間にスピン流の生成・搬送・検出の方法が確立され、スピントロニクス研究は新たな局面を迎えた。最近では、
電荷・スピン・フォノン・フォトン・マグノン等の準粒子が、固体中のスピンを媒介として、相互に変換されることがわかってきた。これらの『スピン変換』は、比較的単純な接合界面近傍のナノスケール領域で生じることが多いため、極めて優れた汎用性と応用性を持っている。我々の研究室では基礎的な磁気物理の視点から、スピン変換による新物性開拓とスピン変換の発現機構解明に取り組んでいる。また、微細加工技術を駆使して、スピン変換を自在に制御できるスピ研究テーマ Research Subjects
1.   純スピン流の生成および検出機構
Mechanisms of pure spin current generation and detection
2. スピン流を用いた磁気相転移
Magnetic phase transition by using spin current
3. トポロジカル絶縁体界面でのスピン流 - 電流相互変換
Spin-to-charge current conversion in the interface of topological insulator
4. 分子スピントロニクス
Molecular spintronics
5. 強磁性から超伝導体複合素子へのスピン注入
Spin injection into superconductor from ferromagnet

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ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/komori_group.html

小森研究室

小森

文夫

KOMORI, Fumio

Komori Group教授

Professor

固体表面に形成される低次元系とナノ構造原子層物質の宮町

俊生

MIYAMACHI, Toshio

助教

Research AssociateElectronic and magnetic properties of low-dimensional andatomic-layer materials with nanometer-scale structures at solid
surfaces are studied in an ultra-high vacuum using scanningtunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), photoelectron spectroscopy, magneto-optical Kerr-rotation and second
harmonic generation measurements. Microscopic atomic,
electronic and magnetic structures, formation processes of
surface atomic-layers and dynamical processes induced byelectron tunneling or photo-excited carriers are examined by
local imaging, spectroscopy and quasi-particle interference
observations using spin-resolved STM/STS, and macroscopic
spin-dependent electronic structures, magnetic properties,
electron dynamics and chemical bonds by photoelectron andoptical spectroscopy using VUV light and so­ft-X-ray from laserand synchrotron.

電気的磁気的性質を明らかにすることを目標に、超高真空中で走査トンネル顕微鏡 (STM)、光電子分光、磁気カー効果(MOKE)・第二高調波発生 (SHG) 測定、および放射光分光を用いて研究を行なっている。STM を用いたトンネル分光では局所的な電子・スピン状態と準粒子干渉によるバンド構造
解析、スピン角度分解光電子分光では電子状態のスピンと波数依存性を、MOKE/SHG と軟 X 線放射光分光では磁性を調べている。また、時間分解光電子分光や準粒子干渉測定
によって表面での電子励起・散乱・緩和機構と、トンネル電子やレーザー光による電子励起後の新奇物質生成機構に関して、原子スケールの動的過程についても研究している。

(a,b) Cu(111) 面 , Ag(111) 面 (a) および Bi(111) 面 (b) からの表面状態スピン分
裂バンドからの光電子のスピン偏極方向。検出されたスピン方向は面内かつ運動量方向に垂直であり、Cu(111) 面と Ag(111) 面では始状態のスピン偏極方向と同じである。Bi(111) 面では入射光の偏光方向を p 偏光から s 偏光へと 90° 回転すると、
スピン偏極方向が 180° 反転する。(c) Bi(111) 面における光電子スピン成分の入射光偏光角 θ 依存性。θ を連続的に変化させると光電子のスピン向きは 3 次元的に変化する。これらの物質はどれも 3 次元トポロジカル物質である。

(a-c) 傾斜 SiC 基板を Ar 雰囲気中で熱分解することよって形成されたステップ・
テラス構造の STM 像 (a) と、それらの上の 2 次元および１次元的なナノ周期構造をもつグラフェンの STM 拡大像 (b,c)。基板表面 (a) には、SiC(0001) テラス面とそこから 28 度傾いたマクロファセットが共存し、テラスの一部 (b) とマクロファ
セット上 (c) に単層グラフェンができる。(d) １次元ナノ周期構造グラフェンからのディラックバンドの角度分解光電子分光スペクトル。複数のレプリカバンドが観測され、ディラックバンドのドーピング量はテラスに比べて低い。

(a, b) Spin polarization direction of photoelectrons from spin split surface
bands of Cu (111) and Ag (111) (a), and Bi (111) (b). The detected spin
direction is in-plane and perpendicular to the momentum direction. For Cu(111) and Ag (111), it is the same as the spin polarization direction in theinitial states. For Bi (111), when the polarization direction of the incident
light is rotated by 90° from the p-polarized light to the s-polarized light,
the spin polarization direction is inverted by 180°. (c) Dependence of thephotoelectron spin components and total intensity of Bi (111) on the incident light polarization angle θ. The spin orientation of the photoelectronschanges three-dimensionally when θ is continuously changed. All thesecrystals are three dimensional topological materials.

(a-c) Topographic STM images of the graphene on thermally-decomposed
vicinal SiC(0001) substrate (a) in Ar atmosphere. On the substrate surface,
SiC (0001) terraces and macrofacets tilted 28 degrees off coexist. Magnified
images of the terrace (b) and macrofacet (c) indicate formations of twoand one-dimensionally nano-periodic graphene on a part of the terrace andon the whole macrofacet, respectively. (d) Angle-resolved photoemission
spectrum from the graphene on the macrofacet. Replica bands due to theperiodic structure are seen. The doping level of the graphene is smaller thanthat on the terrace.

研究テーマ Research Subjects

1.   単原子層・表面ナノ構造物質の電子状態、磁性および伝導Electronic states, magnetism and electron scattering of atomic layers and nano-structured materials at surfaces
2. 単原子層・表面ナノ構造物質の形成過程
Formation processes of atomic layers and nano-structured materials at surfaces
3. トンネル電子やレーザー光励起による電子・原子動的現象
Electron and atom dynamics induced by electron tunneling and photo-excitation

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/hasegawa_group.html

長谷川研究室長谷川幸雄

HASEGAWA, Yukio

教授

Hasegawa Group

Professor

走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、その像を通じて表面の吉田

靖雄

YOSHIDA, Yasuo

助教

Research Associate

Scanning tunneling microscopy (STM) reveals not only
atomic structure of surfaces but also electronic states in
sub-nanometer areas by tunneling spectroscopy. With a functionof spin-polarized (SP-) STM, the microscope also provides
local magnetic properties and surface spin structures, and withinelastic tunneling spectroscopy (IETS), various excitationenergies can be extracted.
In Hasegawa-lab., by using STMs operated in ultralow
temperature and high magnetic field, peculiar local superconducting and topological states that can be found in surface
superconductors, whose inversion symmetry is broken, and in
the proximity with ferromagnetic materials, have been explored.
We have also studied local magnetic properties of spinspiral structures using SP-STM, spin excitation with SP-IETS,
magnetic resonances through the introduction of microwaves,and spin current detection using SP-potentiometry. Recent
subjects include heavy-fermion materials, such as CeCoIn 5;
orbital ordering was observed for the first time in a real space.

原子構造を明らかにするのみならず、トンネル分光測定によりサブナノ領域での電子状態に関する知見を与え、さらにはスピン偏極（SP-）STM による局所磁気特性や表面スピン構造、非弾性トンネル分光（IETS）による種々の局所励起
エネルギーに関する情報を引き出すことができる。
長谷川研究室では、極低温強磁場下で動作するＳＴＭ装置を用いて、表面超伝導など反転対称性の破れた二次元系
での超伝導特性、磁性体との近接効果により誘起される特異な超伝導・トポロジカル状態の観測を試みている。また、
SP-STM による磁性薄膜でのスピンスパイラルなど特異な局所磁気構造観察、SP-IETS によるスピン励起、マイクロ波導入によるナノ構造での磁気共鳴計測、スピン偏極局所ポテンショメトリによるスピン流計測等の研究も推進している。
最近では、CeCoIn5 などの重い電子系物質の電子状態や局所超伝導・磁気特性の研究にも取り組んでおり、軌道秩
序構造の実空間観察にも成功している。

重い電子系物質 CeCoIn5 で観測された表面軌道秩序状態。Co 終端面での通常のSTM 像（中央および左上図）では、丸い形状の Co 原子像が見られるが、探針を近づけて撮った像（右下図）では、ダンベル形状のｄ軌道が秩序構造を形成していることが観察された。詳細な解析により、表面にのみ誘起された構造であることが判明している。

超伝導金属界面での近接効果。Si 基板上の１原子層 Pb（水色、常伝導相）と Pb 薄膜（黄色、超伝導相）の界面近傍で測定されたトンネル分光スペクトルから、超伝導特性が界面から 40nm の領域にわたって染み出していることが観察されている。

Surface-induced orbital ordered states observed on a heavy-fermion material CeCoIn5. In STM images taken on a Co-terminated surface in standard conditions, round-shaped Co atoms are observed (center and upperleft images). On the other hand, in STM images taken in closer distances(lower-right) we observed an ordered phase of dumbbell-shaped d-orbitals.
Detailed analysis revealed that the ordered structure is formed only on thesurface layer.

Proximity effect at superconductor/metal interface. Tunneling spectra taken
around an interface between 1ML-Pb layer on Si (blue, normal metal) and a
Pb thin film (yellow, superconductor) indicate the penetration of superconductivity into the metal layer with a decay length of 40 nm.

研究テーマ Research Subjects

1.   低温 STM による特異な超伝導 / トポロジカル特性の探索
Exploration of peculiar superconducting / topological states using low-temperature STM
2. スピン偏極 STM へのマイクロ波導入によるナノスケール磁気共鳴計測
Nanoscale measurements of magnetic resonances by SP-STM with microwave
3. スピン偏極走査ポテンショメトリによるスピン流の実空間計測
Real-space distribution of spin currents by spin-polarized scanning potentiometry

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

ナノスケール物性研究部門

Division of Nanoscale Science
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/organization/labs/lippmaa_group.html

リップマー研究室

リップマー ミック 高橋
LIPPMAA, Mikk

Lippmaa Group教授

Professor

半導体酸化物の透明性やバンド構造は一般的に結晶中の竜太

TAKAHASHI, Ryota

助教

Research Associate

The band gap and transport behavior of oxide semiconductors is generally determined by point defects and doping. In
many doped oxide systems, the dominant site substitution
mechanism can be assumed from the dopant valence and ionicradius, but explicitly determining the dopant site structure is
generally impossible. X-ray fluorescence holography is a usefultechnique in this regard, as it produces directly the atomic
positions of the nearest neighbors surrounding a dopant atom.
The method is based on measuring the angular distributionof the dopant atom’s fluorescence x-ray intensity (Fig. 1) andsolving for the positions of the nearest-neighbor scatterer atoms.
We have analyzed the structure of Rh-doped SrTiO3 photocatalysts and found that while the Rh4+ dopant substitutes at the Ti
site without lattice distortion, a Rh3+ dopant forms clusters withoxygen vacancies or substitutes at the oxygen site (Fig. 2). Suchclustering has a detrimental effect on photocarrier dynamics
in Rh:SrTiO3 photocatalysts and photoelectrodes used for thesolar-powered water splitting reaction.

点欠陥や不純物の元素に依存すると言われている。多くの酸化物のドーピングにおいて、不純物イオンが結晶内のどのサイトに置換するかはイオン半径や価数によって予測できる
ものの、ドーピングされた結晶構造を具体的に予測することは難しい。その点で蛍光 X 線ホログラフィーは有効的な分析手法であり、不純物イオン周辺の元素の構造を精密に計測することを可能にする方法である。このホログラフィーの手法では、図 1 のように、不純物イオンの元素の蛍光 X 線の角度依存性から、不純物イオン近傍にある元素の散乱強度を計測している。我々は Rh をドープした SrTiO3 の光触媒の薄膜結晶にこの方法を適用し、Rh4+ のドーパントが格子歪みのない Ti サイトを置換する一方で、Rh3+ のドーパン
トは酸素サイトで酸素空孔または置換基を有するクラスター構造を形成することを見出した ( 図 2)。このようなクラスター
構造は Rh:SrTiO3 光触媒におけるフォトキャリアの振る舞
いや太陽光を用いた水分解反応に使用される光電極に重要な役割を担っていることを明らかにした。

図１.（a）Rh3+:SrTiO3 と (b)Rh4+:SrTiO3 薄膜における Rh 元素の蛍光 X 線強度の角度分布について。強度分布の違いは Rh イオン周辺の元素の並び方が異なることを意味しており、(b) のパターンはペロブスカイト構造の完全単結晶の構造と一致している。

図２．低い酸素圧の条件で堆積した Rh3+:SrTiO3 薄膜における２種類の欠陥構造について。( 上 ) 酸素空孔を持つ Rh 酸化物のクラスター ( 下 ) アニオンサイトにおける Rh の置換構造。

Fig. 1. Angular distribution of Rh fluorescence x-ray intensity for (a)Rh3+:SrTiO3 and (b) Rh4+:SrTiO3 thin films. The difference in the patterns
indicates that the arrangement of the Rh nearest-neighbor atoms is different.
The pattern in (b) corresponds to a perfect perovskite structure.

Fig. 2. Two main defect cluster types in a Rh3+:SrTiO3 film grown at low
oxygen pressure: (upper) Rh cluster with an oxygen vacancy, (lower) Rh substitution at the anion site.

研究テーマ Research Subjects
1.   パルスレーザー堆積法による酸化物薄膜そしてヘテロ構造の作製
Growth of thin oxide films and heterostructures by pulsed laser deposition
2. 水分解光電極反応の高効率化に向けた酸化物半導体材料の開発
Development of oxide photoelectrode materials for photocatalytic water splitting
3. 極性材料とマルチフェロイック材料の開発
Polar oxides and multiferroic coupling
4. 酸化物ナノ構造またはナノコンポジット薄膜の合成
Synthesis of nanostructures and nanocomposite thin films

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THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science

松本研究室

松本

祐司

MATSUMOTO, Yuji

Matsumoto Group

客員教授

Visiting Professor

パルスレーザー堆 積（pulsed laser deposition: PLD）

We have been working on fabrication of nano-structured oxide
films by pulsed laser deposition (PLD) and exploration of their
physical properties and new functionalities. The non-equilibrium
nature of vacuum deposition such as PLD allows us not only tosynthesize new chemical compounds with compositions thathave never been found in bulk, but also to fabricate nano-structured materials such as artificial superlattices. In this laboratory,
we are planning to fabricate new oxide materials whose compositions and structures are spatially controlled on the nanometerscale. They include self-organized, phase-separated nanocomposite films, and compositionally-graded films whose composition gradually varies along the growing direction. Utilizing somefacilities in the ISSP joint-research program under collaboration with Prof. Lippmaa, we carefully investigate the structureproperty relationship of such nano-structured oxide materials
and wish to propose a new guiding principle for designing oxide
nano-structured materials.In addition to this project, we expect
to interact with other professors within ISSP.

法をベースとした真空蒸着によるナノ構造化された機能性酸
化物薄膜の創製と物性探索研究を行なっている。
真空蒸着では、低真空環境下でのプロセスの “ 非平衡性 ”
が、バルクでは合成が困難な新しい組成領域の物質だけでなく、人工超格子などのナノ構造物質の合成を可能にする。本研究室では、このような “ 非平衡性 ” を活かした酸化物系での組成と構造がナノスケールで空間制御された自己組織化による相分離薄膜や意図的に組成を薄膜成長方向に変化させた傾斜組成膜の作製に取り組む。本研究所の共同利用設備を積極的に利用しつつ、ホストのリップマー教授と協力し、ナノ構造化機能性酸化物薄膜の構造 - 物性相関について精査
し、新しい酸化物ナノ構造設計の指針を提案することを目指す。また、物性研に滞在中はリップマーグループ以外の研究室との共同研究にも積極的に取り組みたいと考えている。

ナノスケール物性研究部門
Division of Nanoscale Science

髙橋研究室

髙橋

晋

TAKAHASHI, Susumu

Takahashi Group

外国人客員教授

Visiting Professor

Electron Spin Resonance (ESR) 法などの磁気共鳴法

Electron spin resonance (ESR) spectroscopy interrogates
unpaired electron spins in solids and liquids to reveal local
structure and dynamics; for example, ESR has elucidated partsof the structure of protein complexes that have resisted all othertechniques in structural biology. ESR can also probe the originof decoherence in condensed matter, which is of fundamental
importance to the development of quantum information processors. However, its intrinsically low sensitivity precludes ESR
analyses of samples with very small volumes. For example, witha current typical spectrometer setup, >1010 electron spins are
required to obtain ESR signals at room temperature.
At ISSP, in collaboration with Prof. Yukio Hasegawa researchlaboratory, we aim to demonstrate ESR investigation of individual
atomic electron spins using a probe spin where the probe spin
consisting of a single atom is detected by a high-frequency spinpolarized scanning tunneling microscopy (STM). This STM-based
technique will also enable atomic-scale positioning of the target
atoms in combination with a STM lithographic technique, thus
providing unprecedented spectral resolution, sensitivity andversatility for achieving ESR investigation of magnetism in aquantum spin system, and demonstrating a proof-of-principle
experiment for quantum computing and quantum simulation.

は、固体、溶液等の試料の形状を問わず非接触、非破壊測定ができ、原子レベルでの構造決定や原子・分子を取り巻く微視的環境を理解できることから、タンパク質などの生体分子の立体構造や量子デコヒーレンスの起源等の固体物理研究などに幅広く利用されている。しかし、マイクロ波を観測することによって行われる従来の ESR 法は、マイクロ波光子のエネルギーが小さい為、少ない量の試料を測定することは難しい。例えば、通常常温測定における ESR 法の
信号検出感度（ESR 信号を検出するために必要な電子スピンの数）は 1010 スピン程度である。

本研究では、物性研究所長谷川幸雄研究室と共同で、ス
ピン分極 STM (Scanning Tunneling Microscopy) 法を用いて単一原子レベルでの ESR 測定を実現する。STM を用いた ESR 法は、信号検出感度を単一スピンまで向上でき、ターゲットのスピンの位置を一原子の空間分解能で操作することも可能である為、量子スピン系での磁性研究や量子コン
ピューター、量子シミュレーションといった分野への応用が可能であると考えられる。
30

THE INSTITUTE FOR SOLID STATE PHYSICS 2018