ＳＴＭ単原子操作による磁性原子構造の作製と単原子スピンの直接観察
Fabrication of magnetic atomic structure with STM single atomic manipulation and direct
observation of spins in single magnetic atoms
学習院大学理学部

山田豊和

Faculty of Science, Gakushuin University

Toyokazu YAMADA

派遣期間 ２００８年４月１５日～２００９年３月３１日
April 15, 2008 – March 31, 2009
研究機関 Physikalisches Institut, Universitaet Karlsruhe, Wolfgang-Gaede Strasse 1,
Geb.30.23, 76131 Karlsruhe, Germany
研究指導者 Prof. Dr. Wulf Wulfhekel

Single 3d magnetic Co atoms were deposited on a clean surface of Pt(111) single crystals at 4K in ultra-highvacuum. With the use of a W tip of low-temperature (4K) scanning tunneling microscopy (STM), these single
atoms were manipulated and dimers and trimers were successfully fabricated. To study the spin structure ofsuch atomic clusters, we performed inelastic tunneling spectroscopy measurements with the same STM setup.
Magnon excitation inside the single atoms, dimers, and trimers were observed on the substrate surface ofPt(111). We obtained giant magnetic anisotropy energies of 10.2, 5.5, and 5.0 meV for single atoms, dimers,and trimers, respectively.
We also studied magnetic Fe nanocluster islands deposited on Cu(111). STM measurements showedcoexistence of bcc and fcc structures inside one Fe island. Local density of states measurements comparedwith theory found that the bcc and the fcc areas have ferromagnetic and layerwise antiferromagnetic structures,respectively. When we apply a strong positive (negative) electric field by the STM tip to the Fe islands, the fcc(bcc) region switched to bcc (fcc), indicating a magneto-electric coupling in the 3d-metal cubic iron. So far
such coupling was only found for the insulators and could be used for data storage.

２００８年４月より１年間、山田科学振興財団の長期派遣研究助成の支援を受け、ドイツ国カールスルーエ大学 Wulfhekel 教授の研究室において申請課題“ＳＴＭ単原子操作による磁性原子構造の作製と単原子スピンの直接観察”の研究を行った。
研究室では、Ｐｈ．Ｄ学生４名、ポスドク研究員４名を指導する立場となり、彼らと主に研究を行ってきた。研究そのものは、幸いにして順調に進んだ。２００８年４月より研究をはじめ、予想よりも早く試料の清浄化を済ませることができた。最初に、予定通りＣｕ（１１１）単結晶上に４Ｋにて磁性Ｃｏ単一原子を蒸着した。蒸着器より蒸発したＣｏ原子は、基板試料であるＣｕ（１１１）に吸着した際に熱エネルギーが高いと試料表面で拡散し、島やクラスターを形成してしまう。これを防ぐために試料を冷やした状態で蒸着を行い、探針を接近させてＳＴＭ測定を行った。Ｃｕ（１１１）表面にＣｏ単一原子が約５－１０ｎｍ間隔で吸着するように蒸着量の最適化を行った。Ｃｕの上のＣｏ原子の電子状態を測定したところ強い近藤共鳴をフェルミ準位に確認した。このピークは非弾性トン
ネル分光測定に強い影響を及ぼし、微小なエネルギー領域でのスピンのふるまいを探るのみは適さない。そこで、Ｃｕ（１１１）単結晶をＰｔ（１１１）単結晶に変えることにした。また、光電子分光の実験よりＰｔ上のＣｏナノクラスターは高い磁気異方性を有することが指摘されていた。Ｃｏ単一原子のスピンを安定にするには、高い磁気異方性を引き起こす下地を用いる方が望ましい。
Ｐｔ（１１１）に同様にＣｏ単一原子を蒸着し、ＳＴＭ原子マニピュレーションによりダイマーやトリマーを形成した。図１に例を示す。最初この領域には３個のＣｏ単一原子がある（図１（a））
。
探針を中央の原子に接近させ、下方の原子の方向へ矢印に沿って探針を動かす。探針を試料からやや離してＳＴＭ像を観察すると、図１（ｂ）に示すように中央のＣｏ原子が下方の原子に接近したことがわかる。再度、同様にして原子をマニピュレーションする。すると、図１（ｃ）に示すように２つのＣｏ単一原子が結合しダイマーとなった。このようにして、ダイマー、さらにはもうひとつ原子を追加してトリマーを作製した。
これらの単一原子、ダイマー、トリマーの上に探針を移動市し、内部でどのような物理現象が起きているかを探るために非弾性トンネル分光を測定した。その結果を図２に示す。全ての場合で、フェルミ準位（０Ｖ）の上と下にピークとディップが観察された。単原子は１０ｍｅＶに、ダイマーは８ｍｅＶに、そしてトリマーは８ｍｅＶにピークを示した。このことは、トンネル遷移過程において、このピーク（ディップ）エネルギー位置において非弾性トンネル散乱がクラスター内で生じていることを意味する。つまり、このエネルギー位置で励起されている何かがあるのである。可能性としては、プラズモン、フォノン等が考えられるが、これらの励起エネルギーは２０ｍｅＶ以上であり、これら以外の励起が起きていると考えられる。Ab-initio 計算との比較より、マグノン（スピン波）が形成されていることがわかった。このエネルギー以上でクラスター内のスピン反転が生じ、結果としてマグノンが生成される。ならば、このピークエネルギーより、これらの磁性ナノクラスターの持つ磁気異方性エネルギーが求められるはずである。結果、１０．２ｍｅＶ（単原子）、５．５ｍｅＶ（ダイマー）、５．０ｍｅＶ（トリマー）が得られた。

Figure 1: STM images of single Co atoms on Pt(111).
The single atom located at the centre in (a) was manipulated along the arrow. After repeating the manipulations(b), a dimer was fabricated (c).

Figure2:

Inelastic tunneling spectra obtained on thesingle Co atoms (a), dimers (b), and trimers(c).
このようにして、単一原子を用いた測定が順調に進んだため、鉄ナノクラスターのスピン特性を探る実験も行った。鉄を０．２原子層分Ｃｕ（１１１）に蒸着した。すると約２ｎｍ径の三角形をした鉄島が作成できた。鉄島は２原子層からなる。１つの鉄島の中には、ｆｃｃとｂｃｃの２つの結晶構造領域が存在している。トンネル分光測定を行い、ｆｃｃとｂｃｃの領域の局所電子状態密度を測定した。Ab-initio 計算との比較よりｂｃｃ領域では鉄原子が強磁性結合しており、ｆｃｃ領域では層間で反強磁性結合していることがわかった。研究の中で、ある日、このｆｃｃ領域が特定の条件で相転移してｂｃｃに変化することを見つけた。解析の結果、探針と鉄島の間の電界が、４０ｍＶ／Å以上の条件でｆｃｃ領域がｂｃｃ領域に反転することがわかった。強い電界が鉄原子間の距離をわずかに変化させ、それによりスピン状態が反強磁性から強磁性状態にスイッチすることがわかった。さらに印加する電界の極性によりｂｃｃ領域をｆｃｃに、ｆｃｃ領域をｂｃｃに反転できることが分かった。
探針を反転させたい場所に移動し、瞬間的（数ミリ秒）に強い電界をかけることで約１ｎm２の領域のみを選択的に相転移させることができた。局所電界により１ｎm２という微小領域のスピン特性を制御できた。つまり、鉄ナノクラスターは磁気電気結合を有する。これまで磁気電気結合は絶縁体でのみ確認されていたが、今回の研究では、伝導性のある強磁性金属でも同様の効果を見つけることができた。
このようにして、研究を１年間行い、２００９年３月３１日に一時帰国したが、結局、ドイツ国の教授の勧めもあり、２００９年４月１日より学習院大学からカールスルーエ大学に移籍しさらなる研究をすすめている。

２００９年５月２６日 山田豊和