助成番号
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

超強磁場走査トンネル顕微鏡の開発と超伝導体のナノ電子計測への応用

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Development of high-field scanning tunneling microscope and its application to nanoscale electronic
state in superconductors

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓） ニシザキ名） テルカズ

研究期間 Ｂ

2010 年 10 月～2012 年 3 月

漢字 ＣＢ

西嵜照和

報告年度 ＹR

2011 年

ﾛｰﾏ字 ＣＺ

NishizakiTerukazu

研究機関名

東北大学

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

東北大学金属材料研究所・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
本研究では，走査トンネル顕微鏡(STM)としては未踏の超強磁場領域で動作する低温・強磁場 STM システムを開発することを第 1 の目的とし，また，開発した超強磁場 STM を，酸化物高温超伝導体をはじめとする様々な超伝導体へ適用して強磁場中の電子状態をナノスケールで明らかにすることを第 2 の目的とした．本研究では強磁場中で使用可能な STM ユニットの作製と調整を行い，ノイズ対策として完全非磁性除振台，音響シールドなどを導入することで超強磁場中で安定に動作する STM システムを構築した(参考図1)．STM ユニットの真空槽の排気には本研究助成で導入した「極低温温度制御用排気システム」を使用した．これらの超強磁場 STM システムを用いて，ハイブリッドマグネット中で 27T まで STM 動作を確認するとともに，酸化物高温超伝導体 ErBa2Cu3Oy の薄膜試料において，STM 測定と走査トンネル分光(STS)を 18T 超伝導マグネット中で行った．ErBa2Cu3Oy 薄膜の STM 測定の結果，薄膜の成長過程における螺旋転位が観測され，そのステップ構造は c 軸の格子定数に一致することが分かった．また，18T までの磁場中の STS 測定に成功しトンネルコンダクタンスの空間変化を明らかにした(典型的なスペクトルは参考図2)．本研究による超強磁場 STM の開発によって，これまで以上の強磁場中(これまでは最大 14T)における超伝導体の STM/STS 研究が可能になった．

参考図
プリアンプ

ErBa2 Cu3Oy thin film
Step height~ 1.2 nm0.50.4dI/dV

STM インサート

0.3
0.2
0.1

除振台
音響シールド0-0.1

27T-ハイブリッドマグネットに設置したSTM測定システム

図 1：超強磁場 STM 測定システム．

キーワード ＦＡ

走査トンネル顕微鏡

18T, 7.8K

00.1

V (V)

(200nm) 2

図 2：ErBa2Cu3Oy の薄膜の 18T の磁場中における STM 像(左図)とトンネルスペクトル(右図)．

強磁場（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -超伝導体

ナノ電子物性発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

大型実験施設の強磁場マグネットを用いた走査トンネル顕微鏡の開発

著者名 ＧＡ西嵜照和，小林典男 雑誌名 ＧＣ

雑誌

ページ ＧＦ201

強磁場走査トンネル顕微鏡の開発と超伝導体への適用

著者名 ＧＡ西嵜照和，淡路智，
雑誌名 ＧＣ
小林典男

ページ ＧＦ

172～174

発行年 ＧＥ

0巻号 ＧＤ

東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター
平成 22 年度年次報告書

201

1

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ

Development of High-Field Scanning Tunneling Microscope and Application to Superconducting
Materials

著者名 ＧＡT.
Nishizaki,
S.
Awaji, N. Kobayashi 雑誌名 ＧＣ

雑誌

発行年 ＧＥ

論文標題ＧＢ雑誌

B4

第 18 回渦糸物理国内会議概要集

ページ ＧＦ10

発行年 ＧＥ

Selected Topics in 2010 Annual Report at Sendai [High Field Laboratory forSuperconducting Materials, Institute for Materials Research, Tohoku
University]

2011

巻号 ＧＤ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ発行年 ＨＤ総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
The primary purpose of this study is to develop first scanning tunneling microscope (STM) system which canbe used at low temperatures in ultra-high magnetic fields (UHF) beyond previous STM. Another purpose is toapply UHF-STM to various superconductors including high-temperature (Tc) cuprate for understanding theelectronic properties at the nanoscale. In this study, we have prepared and tuned STM unit for UHF. By using anonmagnetic vibration isolation table and an acoustic shielding, vibrating and acoustic noise have beeneffectively reduced and STM system, which is designed for UHF, has been successfully built (see Fig.1). “Aexhaust system for low-temperature control” has been introduced by this research grant and used for
preparation of the high-vacuum atmosphere in the STM vacuum chamber. Using these UHF-STM systems, wehave succeeded in the STM operation up to 27 T in the hybrid magnet and also performed STM and scanningtunneling spectroscopy (STS) for high-Tc superconducting ErBa2Cu3Oy thin films in the 18 T-superconducting
magnet. STM results indicate that screw dislocations, which appear in the growth process, are observed inErBa2Cu3Oy thin films and the step height of dislocations agrees with the c-axis lattice constant (see Fig.2, left).
The spatial variation of the tunneling conductance has been observed by STS measurements up to 18 T (seeFig.2, right). The development of the UHF-STM in this study has made it possible to STM/STS studies onsuperconductors in high fields than ever before (maximum field of previous STM was 14 T).

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