Creation of topological phases and simulation of electronic states using atom manipulation technique

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K22135
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 南任 真史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (90300889)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 原子操作 / 低温STM / 分子グラフェン / トンネル電子分光 / エッジ状態 / 超伝導ギャップ

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではCu(111)面上にPbの単原子層を形成し、その上でCO分子のマニピュレーションを行って三角格子を形成することを狙っているが、Pbの単原子層形成はそれ自体が簡単ではない。そこで、Pbの表面で原子操作が可能かどうかを確かめるために、Pbの単結晶表面を用いた先行実験を行った。
Pbは表面に非常に厚い酸化被膜があるので、まず、酢酸と過酸化水素水2:1混合溶液による化学エッチングを行った。適度にエッチング処理を行った後に超高真空装置内でスパッタとアニールを長時間行うことにより、原子スケールで平坦な領域が実験に十分な広さある Pb(110)表面を得ることに成功した。
この Pb(110)表面をPt製の探針を用いてSTM観察を行ったところ、(110)格子が鮮明な原子像が得られた。Pbの場合、Fermi準位をpバンドしか横切っていないため、 Pt探針のd軌道とのd-pトンネルが起こり、原子分解能が得られていると思われる。実際、Pt探針をPb試料表面に衝突させてPt探針の先端がPbで覆われると、原子分解能は失われた。従ってこの場合、原子分解能はPt探針の先端の清浄さを示すフラグとして実験に利用出来る。
バイアス電圧の極性や大きさを変えて観察を行うと、正方格子が強調されたり、c軸方向の一次元鎖が強調されたり、あるいは原子分解能が無くなってフラットな像になったりと、バイアス電圧依存性が見られ、しかもこの変化は再現性があることが判った。この依存性はPbの電子構造と関係すると考えられ、バンド構造や表面状態のエネルギー位置などを考慮しながら、その理由について理解を試みている。
更に、このようなサンプル表面と探針の双方が清浄な状態でトンネル電子分光を行うと、Pbの超伝導ギャップが観測された。現在、そのような理想的な状況を作り出してからFe原子を微量蒸着し、原子操作を試みているところである。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

今年度の夏までは、新型コロナウイルスの緊急事態宣言に対する研究所の活動自粛方針のため、実験を行うことが出来なかった。秋に装置を立ち上げて実験を再開したが、軌道に載るのにしばらく時間がかかり、一年を通して予定の半分くらいしかこなせなかった。昨年と異なり、実験装置はトラブルなく安定に動作しているため、これから集中して研究を進め、遅れた分を取り戻していきたいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

昨年度から実験効率の向上のために、原子操作の過程で劣化しにくい安定な探針の作成を目指している。Pt/Ir合金の探針に対して、Pt(997)面上で電界蒸発・大電流を伴う接触・広域スキャンの三つを組み合わせた処理を行うことでかなり理想的な探針が作成出来るようになってきており、作成条件の最適化を更に進めているところである。この方法で得られた探針は吸着種との結合が強く原子操作の成功確率も高いので、来年度はCu(111)面に CO分子を吸着させ分子グラフェンの実験を完遂したい。
また、Pbを用いたマヨラナフェルミオン検出の実験は、かなり難しい印象である。これは、探針が一度でもPb表面に衝突すると、探針表面がPbに覆われてしまい、その状態では原子操作が出来ないことが判明したためである。CO分子のマニピュレーションでは金属原子の場合に比べて探針－試料表面の距離がより小さくなるため、探針を試料に衝突させる確率が高くなる。マヨラナフェルミオンは、超伝導金属上の強磁性金属原子の一次元構造の両端で検出される可能性が理論的に予測され、実際にPb上のFeの一次元鎖で観測されたという報告例もある。そこで来年度はまず、実験技術の難易度を下げて、Pb(110)面上にFe原子をマニピュレーションで一列に並べてその両端を観測し、実際にマヨラナフェルミオンが検出されるか確認する実験から取りかかりたいと考えている。

Causes of Carryover

今年度も、新型コロナウイルスの緊急事態宣言に対する研究所の活動自粛方針の影響で、実験計画にかなりの遅延が生じた。このため、実験に必要な費用が当初より下回ったこと、また、学会に参加しなかったため旅費が発生しなかったことなどから予算を使い切れなかった。最終年度の２０２1年度予算については、実験の進行を予想して、必要になりそうなものから先行して購入し、予算を年度内に消化していくことを考えている。