2014 Fiscal Year Annual Research Report
単一分子磁石・基板の接合界面におけるスピンダイナミクス
| Project Area | Molecular Architectonics: Orchestration of Single Molecules for Novel Function |
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| Project/Area Number |
25110005
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
米田 忠弘 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30312234)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
道祖尾 恭之 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (10375165)
高岡 毅 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (90261479)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子磁性 / 近藤効果 / 単分子磁石 / 巨大磁気抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究領域では「分子アーキテクト」による分子の組織化とそれによる機能創製が目標になるが、その「土台」となる表面の設計と計測・物性制御 がA02班の役割である。そのなかで我々研究グループは（１）スピン注入（２）単一分子磁石をキーワードに進め、スピンを用いた分子伝導のゆらぎを用いた新しいデバイス動作を開発する。特に我々のグループが得意とするトンネル電流による分子操作は、単分子単位での分子の構造操作が可能であるだけでなく、スピンの制御および検知にも用いることができる。単一スピンの制御を可能とする'分子技術'を検証するのに最適なツールである。具体的には、「いかなる分子コンフォーメション変化で分子のスピンが変化・制御可能か」という実験と、「空間的に制御可能なトンネル電流で実際の分子の操作が可能か」という２つの大きな問題を実空間で解決することができる。
本年度、領域内の共同研究で、水素化されたテルビウム・２層ポルフィリン錯体（2, 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18-octaethylporphyrin (OEP)-TbIII double-decker complex, (TbIII(OEPH)(OEP))の提供を受け、これを実証した。先行研究でTbIII(OEP)2は単一分子磁石であるが、その窒素原子に水素原子を付加したTbIII (OEPH)(OEP)分子は単一分子磁石の性質を失うことが示されていおり、また同時にリガンドの不対パイ電子も消滅する。実験ではTbIII (OEPH)(OEP)分子の単分子膜を作成し、STMで観察後、~1.5Vのエネルギーを持つトンネル電子を注入した。その結果、ターゲット分子のみが明るい分子に変化した。第一原理計算と組み合わせることで、この明るい分子がトンネル電流によって誘起された脱水素によって作成されたTbIII (OEP)2分子であることが示された。そのスピンの挙動は、分子のスピンによって形成される近藤共鳴を検知することで調べる手法を用いてこれを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究実績で示した内容は、トンネル電流注入で分子の脱水素化を単一分子単位で実現することが可能で、その化学変化で、単一分子磁石の挙動をON/Offできることを示した。分子操作は原子分解能を持って正確に制御することができ、単一分子の脱水素化から、パターン化された単一分子磁石の構造作成が可能なことを示している。この方法を用いれば、任意の構造を持つスピン分布における、スピンの挙動を検知することが可能である。また実際に隣り合う分子にパイラジカルを形成した場合、異なる形状をもつ近藤ピークが重ね合わされた、近藤ダイマーの形成を観察した。これらは従来観察されておらず、原子レベルでの局所的な分子操作技術とスピン検出手法を組み合わせることで新しい現象の開拓が可能であることを世界に先駆けて示した。
さらに、構造変化だけでなく、価数の揺動が用意な分子を合成・表面で膜として成長させることで、刺激によるゆらぎを用いたスピン操作を検証した。Bicyclo[2.2.2]-octadiene (BCOD) fused copper corrole (Cu-BCOD) 分子は真空蒸着で金(111)表面に吸着させることで Diels-Alder反応により、tetrabenzocorrole (Cu-Benzo)に変化して吸着する。興味深いことに、４つのエタンが脱離する、この反応の前後で、分子の磁性がdiamagneticからparamagneticに変化する。これはcorroleの価数が３-から２-に変化したとこに由来する。その結果、金に吸着した分子にはスピンが存在し、それに対応するkondoピークがトンネル分光に明瞭に現れた。このように分子の微小な変化で価数がゆらぎ、結果としてスピンが変化することを検知した研究例は少なく、世界に先駆けて観測したと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までの成果を踏まえて、外部刺激により発現するより多様な物性を探索するため、領域内の連携により、よりゆらぎが生じやすい分子の合成と、薄膜作製、さらにはデバイス化による、揺らぎを用いた情報処理へ実現のための連携を強化していく。研究対象として、世界的にも、分子スピンの量子情報処理への関心が高まる中で、電子スピンだけでなく、核スピンへの情報の書き込み読み込みの研究が加速している。核スピンは外部の環境に影響を受けにくく有望視されている。より精密な観測によって核スピンによる電荷移動制御に向けた、基礎学理を構築する。
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Research Products
(5 results)
