単原子磁石と磁気結合したトポロジカル近藤絶縁体のスピン偏極表面状態

• Project/Area Number: 20K21119
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: Nagoya University (2021-2022); The University of Electro-Communications (2020)
• Principal Investigator: 宮町 俊生 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (10437361)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 走査トンネル顕微鏡 / 近藤効果 / トポロジカル絶縁体 / 磁性単一原子 / 単原子磁石

Outline of Research at the Start

SmB6は近年トポロジカル近藤絶縁体と理論的に予測され、新奇な量子現象の発現が期待されている。本研究ではSmB6(001)表面の極低温STM観察を行い、その構造と電子状態を原子スケールで観察する。特に、磁性単一原子との磁気結合を利用してSmB6(001)表面の近藤状態をナノスケールで局所的に変調させることによって、トポロジカル表面状態と近藤状態の相関を明らかにし、強相関トポロジカル状態の発現機構の理解につなげる。

Outline of Annual Research Achievements

SmB6は極低温領域で強い電子相関（近藤効果）によって金属-絶縁体転移を起こす近藤絶縁体である。近年、SmB6は新奇なトポロジカル物性を発現することが理論予測され、トポロジカル近藤絶縁体(TKI)として活発に研究が行われている。これまでに研究代表者は大面積で均一なSmB6(001)表面を作製するための表面処理条件をSTM, LEEDによる表面構造観察により明らかにし[T. Miyamachi et al., Sci. Rep. 7, 12837 (2017).]、その上に作製した磁性単一原子とSmB6の磁気相互作用をSTMによる分光測定から原子スケールで調べてきた。本研究ではさらに、構造制御したSmB6(001)表面上の磁性単一原子に発現する近藤共鳴状態をSTM分光測定により調べることにより、SmB6のトポロジカル表面状態発現機構の解明に取り組む。本年度は、新規SmB6(001)表面を作製するため、構造と表面電子状態の加熱温度依存性を詳細に調べた。結果、加熱温度の上昇に伴いSmB6(001)表面上にはこれまでに報告例の無い(3×1)表面再配列構造が新たに観測された。新たに得られた(3×1)- SmB6(001)表面に対してSTMを用いた準粒子干渉計測を行った。準粒子干渉計測はトポロジカル絶縁体に多く用いられ、試料表面の散乱体によって誘起される電子状態の空間変調をフーリエ変換して得られる弾性散乱ベクトルのエネルギー分布から占有・非専有状態のバンド分散を議論可能である。結果、(3×1)- SmB6(001)表面で観測されたトポロジカル表面状態は正方格子を持つSmB6(001)表面や、近年先行研究で報告された(2×1)-SmB6(001)表面のトポロジカル表面状態とは異なることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は新たに作製した(3×1)表面再配列構造を持つSmB6(001)表面の電子状態を調べるため、STMによる準粒子干渉計測を行い、波数空間におけるSmB6(001)表面のバンド分散が表面再配列によってどのような変調を受けるかを調べた。結果、これまでに報告されている(2×1)- SmB6(001)表面とは異なる分散を示すことが明らかとなり、トポロジカル表面状態を表面再配列によって制御できることが示唆された。得られた研究成果が国内外で学会発表を行った。並行してSTM装置の改良に取り組み、今年度は試料準備槽にイオンポンプを新たに導入し、SmB6(001)表面のさらなる清浄化が可能となった。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者はSTMを用いて（1）SmB6(001)表面上に作製した磁性単一原子の近藤共鳴状態がSmB6のトポロジカル表面状態に及ぼす影響と、（２）SmB6の表面再配列構造の違いによってトポロジカル表面状態が変調を受けることを明らかにしてきた。今年度はこれまでに得られた研究成果を融合し、構造制御によってトポロジカル表面状態が変調されたSmB6(001)表面と磁性単一原子の近藤共鳴状態の競合をSTMにより明らかにしていく。得られた研究成果は国内外の学会で発表を行うとともに、実験データの解析がまとまり次第、随時学術雑誌に発表していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カールスルーエ工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [Journal Article] Layer-resolved magnetic moments in N-surfactant assisted FeNi ordered alloy thin films (2022)
  • Author(s): Kawaguchi K.、Miyamachi T.、Gozlinski T.、Iimori T.、Takahashi Y.、Hattori T.、Yamamoto K.、Koitaya T.、Iwayama H.、Ishiyama O.、Nakamura E.、Kotsugi M.、Wulfhekel W.、Yokoyama T.、Komori F.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SL Pages: SL1001-SL1001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac66c1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of graphene nanoribbons on the macrofacets of vicinal 6H-SiC(0001) surfaces (2022)
  • Author(s): Fukuma Kohei、Visikovskiy Anton、Iimori Takushi、Miyamachi Toshio、Komori Fumio、Tanaka Satoru
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.124003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and electrical characterization of the monolayer Kondo-lattice compound CePt6/Pt(111) (2021)
  • Author(s): Koichiro Ienaga, Sunghun Kim, Toshio Miyamachi, Fumio Komori
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 16 Pages: 165419-165419
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.165419
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd,Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): T. Miyamachi, C. Surgers, W. Wulfhekel
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 11 Pages: 115504-115504
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac2a56
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure of 3°-twisted bilayer graphene on 4H-SiC(0001) (2021)
  • Author(s): Takushi Iimori, Anton Visikovskiy, Hitoshi Imamura, Toshio Miyamachi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuhiko Mase, Kan Nakatsuji, Satoru Tanaka, Fumio Komori
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 5 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.l051001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial Control of Charge Doping in n-Type Topological Insulators (2021)
  • Author(s): Sakamoto Kazuyuki、Ishikawa Hirotaka、Wake Takashi、Ishimoto Chie、Fujii Jun、Bentmann Hendrik、Ohtaka Minoru、Kuroda Kenta、Inoue Natsu、Hattori Takuma、Miyamachi Toshio、Komori Fumio、Yamamoto Isamu、Fan Cheng、Kr?ger Peter、Ota Hiroshi、Matsui Fumihiko、Reinert Friedrich、Avila Jos?、Asensio Maria C.
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 10 Pages: 4415-4422
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01100
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subatomic Distortion of Surface Monolayer Lattice Visualized by Moire Pattern (2021)
  • Author(s): T. Hattori, N. Kawamura, T. Iimori, T. Miyamachi, F. Komori
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 6 Issue: 6 Pages: 2406-2406
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04408
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Odd spin frustration in Cr(001) films thinner than three nanometers revealed by spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): T. Kawagoe, R. Oka, T. Miyamachi, S. Suga
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 103 Issue: 8 Pages: 085427-085427
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.085427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Twisted bilayer graphene fabricated by direct bonding in a high vacuum (2020)
  • Author(s): Hitoshi Imamura, Anton Visikovskiy, Ryosuke Uotani, Takashi Kajiwara, Hiroshi Ando, Takushi Iimori, Kota Iwata, Toshio Miyamachi, Kan Nakatsuji, Kazuhiko Mase, Tetsuroh Shirasawa, Fumio Komori, Satoru Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 7 Pages: 075004-075004
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab99d1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Realizing large out-of-plane magnetic anisotropy in L10-FeNi films grown by nitrogen- surfactant epitaxy on Cu(001) (2020)
  • Author(s): K. Kawaguchi, T. Miyamachi, T. Iimori, Y. Takahashi, T. Hattori, T. Yokoyama, M. Kotsugi, F. Komori
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW MATERIALS Volume: 4 Issue: 5 Pages: 054403-054403
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.054403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hexagonal iron nitride monolayer on Cu (001): zigzag-line-in-trough alignment (2020)
  • Author(s): M. Yamada, K. Ienaga, Y. Takahashi, T. Miyamachi, and F. Komori
  • Journal Title: Surface Science Volume: 700 Pages: 121679-121679
  • DOI: 10.1016/j.susc.2020.121679
  • Peer Reviewed
• [Presentation] CoPc-γ’-Fe4N有機-無機ハイブリッド界面における電子軌道依存磁気特性 (2023)
  • Author(s): 小野広喜, 梅田佳孝, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 窒素サーファクタント効果を用いて作製したFeCo規則合金薄膜の磁気異方性と原子スケール界面構造 (2023)
  • Author(s): 梅田佳孝, 小野広喜, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Metallic surface states on structurally controlled SmB6(001) (2022)
  • Author(s): T. Miyamachi, S. Suga, T. Iimori, F. Iga, and F. Komori
  • Organizer: 24th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling metallic surface states on SmB6(001) by surface reconstruction (2022)
  • Author(s): T. Miyamachi, S. Suga, T. Iimori, F. Iga, and F. Komori
  • Organizer: the 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic properties of CoPc/γ’-Fe4N organic-inorganic hybrid thin films (2022)
  • Author(s): H. Ono, Y. Umeda, K. Yamamoto, O. Ishiyama, T. Yokoyama, M. Mizuguchi, and T. Miyamachi,
  • Organizer: the 22nd International Vacuum Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural and magnetic properties of FeNi and FeCo alloy thin films on Cu(001) grown by nitrogen surfactant epitaxy (2022)
  • Author(s): T. Miyamachi, H. Ono, Y. Umeda, K. Kawaguch, T. Gozlinski, T. Iimori, K. Yamamoto, M. Kotsugi, W. Wulfhekel ,T. Yokoyama ,F. Komori, and M. Mizuguchi
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and magnetic properties of organic-inorganic heterointerface (2022)
  • Author(s): 小野広喜, 梅田佳孝, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第5回日本表面真空学会若手部会研究会
• [Presentation] Pt(111)上のCePt2単原子層の成長と電子状態 (2022)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 加藤弘一, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] SiC基板上の1度以下のツイスト2層グラフェンの電子状態 (2022)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 宮町俊生, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] CoPc/γ'-Fe4N 有機-無機ハイブリッド薄膜の界面磁気状態 (2022)
  • Author(s): 小野広喜, 梅田佳孝, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 窒素サーファクタント効果により作製した L10-FeCo 規則合金薄膜の界面磁気結合状態の制御 (2022)
  • Author(s): 梅田佳孝, 小野広喜, 山本航平, 石山修, 横山利彦, 水口将輝, 宮町俊生
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Anomalous Nernst effect in Co/Au/Fe trilayer thin films (2022)
  • Author(s): Hiroki Fukuda, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Anomalous Nernst and Hall effects in Ge-doped Co thin films (2022)
  • Author(s): Takuya Tsujimoto, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スピン偏極STMによるNdFeB磁石の磁壁幅の実空間・高分解能観察 (2022)
  • Author(s): 宮町俊生, Wulf Wulfhekel
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 3nm厚のCr(001)薄膜で観測された特異なスピンフラストレーション (2021)
  • Author(s): 川越毅, 宮町俊生, 菅滋正
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 走査トンネル顕微分光を用いた2次元近藤格子CePt6/Pt(111)の電子状態観測 (2021)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 大面積数度ツイストグラフェンの電子状態 (2021)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 宮町俊生, 服部琢磨, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] 単層近藤格子CePt2/Pt(111)の構造と電子状態 (2021)
  • Author(s): 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd, Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • Author(s): Toshio Miyamachi, Wulfhekel Wulf
  • Organizer: ICMaSS2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Challenges in the application of spin-polarized STM to materials science (2021)
  • Author(s): Toshio Miyamachi
  • Organizer: The 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 窒素サーファクタント効果により作製したFeCo合金超薄膜の構造と磁気状態 (2021)
  • Author(s): 宮町俊生, 高橋優樹, 飯盛拓嗣, 服部卓磨, 山本航平, 小板谷貴典, 横山利彦, 小嗣真人, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] 構造制御されたSmB6(001)表面の金属的な電子状態 (2020)
  • Author(s): 宮町俊生, 菅滋正, 飯盛拓嗣, 伊賀文俊, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] SiC(0001)上のツイストグラフェンの電子状態のツイスト角度依存性 (2020)
  • Author(s): 飯盛拓嗣, 今村均, 魚谷亮介, 宮町俊生, 服部琢磨, 中辻寛, 北村未歩, 堀場弘司, 間瀬一彦, 梶原隆司, Visikovskiy Anton, 田中悟, 小森文夫
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会