第 9 回日本物理学会若手奨励賞を受賞してナノスケール物性研究部門

宮町 俊生

この度、第 70 回日本物理学会年次大会において第 9 回日本物理学会若手奨励賞(領域 3)を受賞する栄誉に恵まれました。推薦して下さった小森先生および対象研究の共同研究者の方々に厚く御礼申し上げます。受賞対象となった研究は、私が物性研に着任する前に博士研究員として所属していたカールスルーエ工科大学(ドイツ)の Wulf Wulfhekel 教授のグループで行い、研究題目「スピン偏極走査トンネル顕微鏡による原子スケールスピン制御」にありますように単一原子・分子のスピン状態を(スピン偏極)走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて実空間で直接観測し、さらに制御することが目的でした。以下に対象研究の背景・動機および内容を簡単に紹介させて頂きます。

[単一分子による多機能分子メモリの開発]
単一分子で構成される分子デバイスは、シリコンに代表される従来の無機エレクトロニクスデバイスを上回る集積化や低消費電力化が期待され、基礎、応用の両面から研究が盛んに行われています。単一分子を用いたスイッチやメモリはこれまで主に分子形状の変化に伴う電気伝導度変化を利用してきました。本研究の目的は、単一分子の電気伝導度に加え、スピン状態を制御し、近年、関心が高まっている分子スピントロニクスデバイス開発への道を切り開くことにありました。
この条件を満たしうる分子として、我々はスピンクロスオーバー(SCO)錯体 Fe(1,10-phenanthroline)2(NCS)2 (以下、Fephen)に着目し、その構造および電子状態を極低温 STM を用いて単一分子レベルで制御することを試みました。SCO錯体は外場刺激(温度、圧力、磁場、電場、光等)が誘因となって分子形状が変化し、さらに分子中に含まれる遷移金属イオンのスピン状態が高スピン状態と低スピン状態の間で変化するため、電気伝導度とスピン状態、両方のスイッチング機能を有すると考えました。
実験はまず、銅単結晶基板に Fephen 単一分子を吸着させ、極低温 STM 観察を行いました。構造観察および分光測定による電子状態観測の結果から、銅単結晶基板上で Fephen 単一分子の高スピン状態と低スピン状態が共存していることが明らかになりました。次に、STM を用いて Fephen 分子のスピン状態のスイッチングを試みましたが、銅単結晶基板とFephen 単一分子間の強い相互作用(混成)のため、スイッチング機能は失われていることが判明しました。どうやってFephen 単一分子と基板の相互作用を弱めようかと思案していたところ、Wulfhekel 教授から原子層絶縁体窒化銅を銅単結晶基板上に挿入してはどうかとご助言を頂き、早速、試してみることにしました。幸運にも結果はすぐに出始め、銅単結晶基板の場合と同様、窒化銅上でも Fephen 単一分子のスピン状態の共存が確認されました。さらに、Fephen 単一分子と STM 探針の間に流れるトンネル電流や電場によってスピン状態と電気伝導度状態の可逆的かつ一意的な複合スイッチング現象を観測することに成功しました[1]。また、銅単結晶基板上においても、基板と直接相互作用の無いFephen 多層膜最表面の Fephen 単一分子のスピン状態のスイッチングを確認することができました[2]。本研究結果より、吸着基板との相互作用を如何に制御するかが単一分子のスイッチング機能を保持させるために非常に重要であることが示され、今回観測された単一分子のスピン状態と電気伝導度の複合制御は分子スピントロニクスデバイス創成への一歩となると期待できます。

[単一原子スピンの安定化]
ナノスケール磁性体は次世代情報記録装置や量子コンピュータの磁気素子への展開が考えられ、近年、実験と理論の両面から盛んに研究が行われています。本研究では磁気素子の微細化の極限である単一原子の磁気特性の起源であるスピンを、STMを用いて直接観測し、制御することを試みました。
本研究では、我々は白金単結晶表面上の希土類金属 Ho 単一原子の非弾性トンネル分光測定およびスピン偏極 STM 測定を行い、種々の対称性(時間反転対称性、単一原子の全角運動量の内部対称性および金属基板表面の対称性)を考慮するこ■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 2 号

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とにより、単一原子の磁気異方性およびスピン緩和時間を更に向上させることが可能であることを示しました[3]。非弾性トンネル分光測定の結果、磁気異方性に比例するスピン-フリップ励起が観測され、Ho 単一原子は約 40 meV と巨大磁気異方性示すことが明らかになりました。Ho 単一原子のスピン緩和時間はスピン偏極 STM により見積りました。スピン偏極STM では磁性探針と Ho 単一原子の磁化方向(スピン偏極度ベクトル)が平行の場合、磁気シグナルは大きく、反平行の場合、磁気シグナルは小さくなります。磁性探針を Ho 単一原子の上に配置し、磁気シグナルの時間変化を測定した結果、
Ho 単一原子は極低温でスピン状態(上向き、下向き)を 10 分以上保持していることがわかりました。さらに、Ho 単一原子にスピン-フリップ励起を誘起させるのに十分なエネルギーを持ったトンネル電子を磁性探針から注入することにより、可逆的にスピン状態を制御することも可能であることも明らかになりました。Ho 単一原子のスピン緩和時間が著しく増大した理由として、時間反転対称性、Ho 単一原子の全角運動量(J= 8)の内部対称性、Pt(111)表面の対称性(C3v)の組み合わせにより基底状態間の量子トンネルが抑制されたためと考えられます。

以上、これまでの研究を振り返ると、原子・ナノスケール磁性体の(１)構造観察を行い、(２)その電子・磁気状態の詳細を明らかにした上で、(３)制御・操作する、といった(個人的には)スピン偏極 STM の長所を存分に活かして研究を行ってきたな、と考えております。今回の受賞を励みに、今後もスピン偏極 STM ならではと言える研究を行い、プラスアルファとして放射光分光等、スピン偏極 STM と親和性の高い手法も積極的に取り入れることによって、より広い視野で多角的・相補的に今後の研究生活を進めていきたいと考えております。

参照論文[1] “Robust spin crossover and memristance across a single molecule”, T. Miyamachi, M. Gruber, V. Davesne, M. Bowen,
S. Boukari, L. Joly, F. Scheurer, G. Rogez, T. K. Yamada, P. Ohresser, E. Beaurepaire, and W. Wulfhekel, Nat.
Commun., 3, 938 (2012).
[2] “Spin state of spin-crossover complexes: from single molecules to ultra-thin films”, M. Gruber, V. Davesne, M.
Bowen, S. Boukari, E. Beaurepaire, W. Wulfhekel, and T. Miyamachi, Phys. Rev. B, 89, 195415 (2014).
[3] “Stabilizing the magnetic moment of single holmium atoms by symmetry”, T. Miyamachi, T. Schuh, T. Märkl, C.
Bresch, T. Balashov, A. Stöhr, C. Karlewski, S. André, M. Marthaler, M. Hoffmann, M. Geilhufe, S. Ostanin, W.
Hergert, I. Mertig, G. Schön, A. Ernst and W. Wulfhekel, Nature 503, 242-246 (2013).

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