半導体結晶上の希薄磁性表面状態の形成とスピントロニクスへの応用

2009 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19206006
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 修司 東京大学, 大学院・理学系研究科, 教授 (00228446)
• 研究分担者: 平原 徹 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教 (30451818)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2009
• キーワード: 表面磁気光学効果 / 希薄磁性表面 / 表面電気伝導 / 表面物性 / スピントロニクス / 近藤効果 / RKKY相互作用 / 低次元磁性

研究概要

(1)表面状態の磁性特性を測定するために,簡便で高性能な超高真空極低温表面光磁気カー効果測定装置を開発し,それによって,コバルト原子層の磁気特性が,基板構造に敏感に依存して変化することを発見した。(2)非磁性物質であるビスマスやその合金(トポロジカル絶縁体と呼ばれる物質)の表面状態が,スピン分裂していることをスピン分解光電子分光法および第1原理理論計算によって明らかにした。(3)スピン軌道相互作用の大きいビスマス薄膜での(逆)スピンホール効果を4探針STM(走査トンネル顕微鏡)装置による表面状態電気伝導測定によって直接的に検出した。

研究成果

• [雑誌論文] Quasi-One Dimensional Metals on Semiconductor Surfaces with Defects (2010)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 雑誌名: J.Phys.Cond.Matter 22 ページ: 084026-1--8
  • 査読あり
• [雑誌論文] A topological metal at the surface of an ultrathin Bil-xSbx alloy film (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, Y. Sakamoto, Y. Saisyu, H. Miyazaki, S. Kimura, T. Okuda, I. Matsuda, S. Murakami, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 81 ページ: 165422-1--4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spectroscopic evidence of a topological quantum phase transition in ultrathin Bi2Se3 films (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakamoto, T. Hirahara, H. Miyazaki, S. Kimura, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 81 ページ: 165432-1--4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Localization and Hopping Conduction at Glass and Crystal Phases of Monatomic Au Layers on Silicon Surface (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Yamazaki, I. Matsuda, H. Okino, H. Morikawa, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 79 ページ: 085317-1--5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct detection of grain boundary scattering in damascene Cu wires by nanometer-scale four-point probe resistance measurements (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaoka, T. Tono, S. Yoshimoto, T. Hirahara, S. Hasegawa, T. Ohba
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 95 ページ: 052110-1--3
  • 査読あり
• [雑誌論文] ビスマス量子薄膜における表面状態による電気伝導 (2009)
  • 著者名/発表者名: 平原徹, 松田巌, 山崎詩郎, 長谷川修司
  • 雑誌名: 表面科学 30 ページ: 374-379
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-polarization of quantum well states in Ag films induced by Rashba effect at surface (2008)
  • 著者名/発表者名: K. He, T. Hirahara, T. Okuda, S. Hasegawa, A. Kakizaki, I. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 101 ページ: 107604-1--4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Manipulating quantum-well states by surface alloying : Pb on ultrathin Ag films (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, T. Komorida, A. Sato, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, K. He, I. Matsuda, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 78 ページ: 035408-1--5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Transport of Au-Adsorbed Si(111)-√3×√3-Ag Surface : Metallic Conduction and Localization (2008)
  • 著者名/発表者名: C. Liu, I. Matsuda, S. Yoshimoto, T. Kanagawa, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 78 ページ: 035326-1--6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Origin of the surface-state band-splitting in ultrathin Bi Flms : From a Rashba effect to a parity effect (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, K. Miyamoto, A. Kimura, Y. Niinuma, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, T. Nagao, I. Matsuda, S. Qiao, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, S. Hasegawa
  • 雑誌名: New Journal of Physics 10 ページ: 083038-1--8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-assembled Nanowire Arrays of Gold Nanoparticles (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Kakefuda, K. Narita, T. Komeda, S. Yoshimoto, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 93 ページ: 163103-1--3
  • 査読あり
• [雑誌論文] 半導体結晶表面上の擬1次元金属 (2008)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 雑誌名: 真空 51(No.7) ページ: 453-459
  • 査読あり
• [雑誌論文] Four-Point Probe Resistance Measurements Using PtIr-Coated Carbon Nanotube Tips (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Yoshimoto, Y. Murata, K. Kubo, K. Tomita, K. Motoyoshi, T. Kimura, H. Okino, R. Hobara, I. Matsuda, S. Honda, M. Katayama, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Nano Letters 7 ページ: 956-960
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron-phonon interaction and localization of surface-state carriers in a metallic monolayer (2007)
  • 著者名/発表者名: I. Matsuda, C. Liu, T. Hirahara, M. Ueno, T. Tanikawa, T. Kanagawa, R. Hobara, S. Yamazaki, S. Hasegawa, K. Kobayashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 99 ページ: 146805-1--4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical conduction of Ge nanodot arrays formed on an oxidized Si surface (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakayama, S. Yamazaki, H. Okino, T. Hirahara, I. Matsuda, S. Hasegawa, M. Ichikawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 91 ページ: 123104-1--3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large surface-state conductivity in ultrathin Bi films (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, I. Matsuda, S. Yamazaki, N. Miyata, T. Nagao, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 91 ページ: 202106-1--3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transport in Defective Quasi-One-Dimensional Arrays of Chains of Gold Atoms on a Vicinal Silicon Surfaces (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Okino, I. Matsuda, S. Yamazaki, R. Hobara, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 76 ページ: 035424-1--5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Observation of Spin Splitting in Bismuth Surface States (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, K. Miyamoto, I. Matsuda, T. Kadono, A. Kimura, T. Nagao, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, S. Qiao, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, S. Hasegawa
  • 雑誌名: Physical Review B 76 ページ: 153305-1--5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Variable-Temperature Independently-Driven Four-Tip Scanning Tunneling Microscope (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Hobara, N. Nagamura, S. Hasegawa, I. Matsuda, Y. Yamamoto, K. Ishikawa, T. Nagamura
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 78 ページ: 053705-1--4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface One-Dimensional Structures (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 雑誌名: Chinese Journal of Physics 45 ページ: 385-411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an UHV-SMOKE system using permanent magnets
  • 著者名/発表者名: Y. Niinuma, Y. Saisyu, T. Hirahara, R. Hobara, S. Hasegawa, H. Mizuno, T. Nagamura
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (印刷中)
  • 査読あり
• [学会発表] シリコン上コバルト薄膜の磁気光学Kerr効果測定 (2010)
  • 著者名/発表者名: 最首祐樹, 平原徹, 保原麗, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2010-03-22
• [学会発表] シリコン表面上のトポロジカル絶縁体Bi2Se3超薄膜の電子構造 (2010)
  • 著者名/発表者名: 坂本裕介, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2010-03-22
• [学会発表] BiSb合金超薄膜表面状態の光電子分光スペクトルの偏光依存性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 平原徹, 坂本裕介, 最首祐樹, 宮崎秀俊, 木村真一, E. Krasovskii, E.V. Chulkov, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2010-03-21
• [学会発表] Development of UHV-SMOKE system and application to surface magnetization characterization (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Saisyu, T. Hirahara, Y. Niinuma, R. Hobara, S. Hasegawa
  • 学会等名: Symposium on Surface and Nano Science 2010 (SSNS'10)
  • 発表場所: 雫石
  • 年月日: 2010-01-16
• [学会発表] A topological metal at the surface of an ultrathin BiSb alloy film (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, Y. Sakamoto, Y. Saisyu, H. Miyazaki, S. Kimura, T. Okuda, I. Matsuda, S. Murakami, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 449 Wilhelm and Else Heraeus Seminar on "Rashba and related spin-orbit effects in metals
  • 発表場所: Physikzentrum Bad Honnef, Germany
  • 年月日: 2010-01-07
• [学会発表] Nano-Measurements by Four-Tip STM} (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices'09
  • 発表場所: Maui, Hawaii, USA.
  • 年月日: 2009-12-11
• [学会発表] 永久磁石を用いた超高真空中表面磁化測定装置の開発 (2009)
  • 著者名/発表者名: 最首祐樹, 平原徹, 新沼優人, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本表面科学会 第29回表面科学学術講演会
  • 発表場所: 船掘, 東京
  • 年月日: 2009-10-28
• [学会発表] Direct detection of grain boundary scattering in damascene Cu wires by nanoscale four-point probe resistance measurements (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, Y. Kitaoka, T. Tono, S. Yoshimoto, T. Ohba, S. Hasegawa
  • 学会等名: IUPAC The 5th International Symposium on Novel Materials and Synthesis (NMS-V)
  • 発表場所: 上海, 中国
  • 年月日: 2009-10-20
• [学会発表] BiSb合金超薄膜の電子状態及び輸送特性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 平原徹, 坂本裕介, 奥田太一, 松田巌, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会2009秋季大会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 2009-09-27
• [学会発表] 希薄磁性表面での抵抗異常 : 近藤効果とRKKY相互作用の競合 (2009)
  • 著者名/発表者名: 高瀬恵子, 芝崎剛豪, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会2009秋季大会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 2009-09-27
• [学会発表] Quantum Transport with a Four-Tip Scanning Tunneling Microscope (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 10th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces, and Nanostructures (ACSIN-10)
  • 発表場所: Granada, Spain
  • 年月日: 2009-09-23
• [学会発表] Nanometer-scale four-point probe resistance measurements of nanowires using carbon nanotube tips (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Tono, Y. Kitaoka, S. Yoshimoto, T. Hirahara, T. Ohba, S. Hasegawa
  • 学会等名: A3 Foresight Summer School and Workshop
  • 発表場所: Yangpyeong, 韓国
  • 年月日: 2009-08-31
• [学会発表] SMOKE装置の開発とGd/In/Si(111)金属表面の磁性研究 (2009)
  • 著者名/発表者名: 新沼優人, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第64回年次大会
  • 発表場所: 立教大学
  • 年月日: 2009-03-30
• [学会発表] ビスマス超薄膜のスピン偏極表面電子状態、電気伝導特性に関する研究 (2009)
  • 著者名/発表者名: 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第64回年次大会 第3回領域9若手奨励賞受賞記念講演
  • 発表場所: 立教大学
  • 年月日: 2009-03-28
• [学会発表] The Rashba and quantum size effects in ultrathin Bi films (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara
  • 学会等名: Deutsche Physical Gesellschaft Spring Meeting
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2009-03-27
• [学会発表] Electronic Transport on Surfaces and Nanowires Measured by Microscopic Four-Point Probes (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: Joint Symposium by Nanyang Technological University and University of Tokyo
  • 発表場所: Nanyang Tech. Univ., Singapore
  • 年月日: 2009-02-20
• [学会発表] Kondo effect in transport on Co/Si(111)√7×√3-In surface, Korean Vacuum Society (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 6th Korea-Japan Symposium on Surface Nanostructures
  • 発表場所: Korea
  • 年月日: 2009-02-11
• [学会発表] Gd adsorption on a nearly-free-electron surface superstructure; Structure and magetic properties (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Niinuma, T. Hirahara, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 16th International colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: 熱川
  • 年月日: 2008-12-10
• [学会発表] Detection of Kondo effect in Co/Si (111)√7×√3-In Surface by surface-sensitive conductivity measurements (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Takase, T. Shibasaki, T. Hirahara, S. Hasegawa
  • 学会等名: International Symposium on Surface Science and Nanotechnology (ISSS-5)
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2008-11-12
• [学会発表] 多探針STMとナノエレクトロニクス (2008)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 学会等名: 第49回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: 松江
  • 年月日: 2008-10-29
• [学会発表] Nanometer-scale Four-Point Probe Resistance Measurements of Cu Wires Using Carbon Nanotube Tips (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Kitaoka, S. Yoshimoto, T. Hirahara, S. Hasegawa, T. Ohba
  • 学会等名: H Advanced Metallization Conference 2008: 18th Asian Session
  • 発表場所: 東京大学、本郷
  • 年月日: 2008-10-09
• [学会発表] 超高真空低温型表面磁気光学カー効果測定装置の開発 (2008)
  • 著者名/発表者名: 平原徹, 新沼優人, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会2008秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-22
• [学会発表] 磁性体吸着した金属表面Si(111)-√7×√3-Inの電気伝導 (2008)
  • 著者名/発表者名: 高瀬恵子, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会2008秋季大会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2008-09-22
• [学会発表] Carrier Localization and Transport at Metallic Atomic Wires and Monolayers on Silicon Surfaces (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 14th International Conference on Solid Films and Surfaces
  • 発表場所: Trinity College, Dublin, Ireland
  • 年月日: 2008-07-01
• [学会発表] The Art and Science of Multi-tip Nanoprobes (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: Brookhaven National Laboratory Worshop "Electrical Nanoprobes" (2008 NSLS/CFN User's Meeting)
  • 発表場所: Brookhaven National Laboratory, USA.
  • 年月日: 2008-05-19
• [学会発表] Bi超薄膜におけるRashba効果と量子サイズ効果 (2008)
  • 著者名/発表者名: 平原徹
  • 学会等名: 日本物理学会第63回年次大会領域9領域3合同シンポジウム「反対称性の破れた表面におけるスピンと軌道」
  • 発表場所: 近畿大学
  • 年月日: 2008-03-24
• [学会発表] In/Si(111)金属表面超構造へのGd吸着 (2008)
  • 著者名/発表者名: 新沼優人, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第63回年次大会
  • 発表場所: 近畿大学
  • 年月日: 2008-03-24
• [学会発表] Transport at Atomic Wires on Silicon Surfaces (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: German Physical Society Spring Meeting
  • 発表場所: Tech. Univ. Berlin, Germany.
  • 年月日: 2008-02-26
• [学会発表] Making non-magnetic surfaces ferromagnetic (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: Korean Vacuum Society
  • 発表場所: Dankook University, Korea.
  • 年月日: 2008-02-15
• [学会発表] Four-tip scanning tunneling microscope for measuring transport in nanostructures (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: SPIE Conference on Device and Process Technologies for Microelectronics, MEMS, Photonics, and Nanotechnology IV, (Conference 6800)
  • 発表場所: Canberra, ACT Australia
  • 年月日: 2007-12-06
• [学会発表] Direct observation of spin splitting in surface states of non-magnetic Bi (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, K. Miyamoto, I. Matsuda, T. Kadono, A. Kimura, T. Nagao, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, S. Qiao, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-9)
  • 発表場所: 東京大
  • 年月日: 2007-11-15
• [学会発表] STM observation and photoemission spectroscopy of Mn adsorbed Si(111)-√3×√3-Ag surface (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Takase, I. Matsuda. T. Hirahara, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-9)
  • 発表場所: 東京大
  • 年月日: 2007-11-13
• [学会発表] Spin-splitting States of Bi-Ag Ordered Surface Alloy on Ag Quantum Well Films (2007)
  • 著者名/発表者名: K. He, T. Hirahara, I. Matsuda, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-9)
  • 発表場所: 東京大
  • 年月日: 2007-11-13
• [学会発表] Gd adsorption on In-induced metallic surface superstructures on Si(111) (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Niinuma, T. Hirahara, S. Hasegawa
  • 学会等名: The 9th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-9)
  • 発表場所: 東京大
  • 年月日: 2007-11-12
• [学会発表] Four-Tip Scanning Tunneling Microscope for Measuring Transport in Nanostructures (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 54th International AVS Symposium
  • 発表場所: Seattle, USA.
  • 年月日: 2007-10-16
• [学会発表] Mn吸着したSi(111)√3×√3-Ag表面のSTMおよび光電子分光測定II (2007)
  • 著者名/発表者名: 高瀬恵子, 中山泰生, 奥田太一, 原沢あゆみ, 松田巌, 平原徹, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第62回年次大会
  • 発表場所: 北海道大
  • 年月日: 2007-09-22
• [学会発表] Spin-spliting state of Bi/Ag ordered surface alloy on Ag quantum-well films (2007)
  • 著者名/発表者名: Ke He, 平原徹, 松田巌, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第62回年次大会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2007-09-22
• [学会発表] 低温における金蒸着シリコン表面の電気伝導度の比較 (2007)
  • 著者名/発表者名: 山崎詩郎, 松田巌, 沖野泰之, 守川春雲, 長谷川修司
  • 学会等名: 日本物理学会第62回年次大会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2007-09-22
• [学会発表] Direct observation of spin splitting in surface states of non-magnetic Bi (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Hirahara, K. Miyamoto, I. Matsuda, T. Kadono, A. Kimura, T. Nagao, G. Bihlmayer, E. V. Chulkov, S. Qiao, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, S. Hasegawa
  • 学会等名: JSPS-NSFC-KOSEF A3 Foresight Program on Sub-10nm Wires; New Physics and Chemistry
  • 発表場所: 北京
  • 年月日: 2007-07-22
• [学会発表] Electronic Transport at Monolayers and Atomic Chains on Silicon Surfaces (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Hasegawa
  • 学会等名: The 17th International Vacuum Congress (IVC-17), 13th International Conference on Surface Science (ICSS-13), International Conference on Nanoscience and Technology 2007 (ICN+T2007), 6th Nordic Conference on Surface Science (NCSS-6), 22nd Nordic Semiconductor Meeting (NSM-22) and 4th Swedish Vacuum and Materials Science Meeting (SVM-4)
  • 発表場所: Stockholm, Sweden.
  • 年月日: 2007-07-04
• [図書] サイエンティフィック(波動 (講談社基礎物理学シリーズ2)) (2009)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 出版者: 講談社振動
• [図書] 見えないものをみる -ナノワールドと量子力学-, (UTフィジックス・シリーズ) (2008)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 出版者: 東京大学出版会
• [図書] マルチプローブ計測 (第13章), 「走査プローブ顕微鏡-正しい実験とデータ解析のために必要なこと-」(重川秀実・吉村雅満・河津章編) 実験物理科学シリーズ(第6巻) (2008)
  • 著者名/発表者名: 長谷川修司
  • 出版者: 共立出版
• [備考] ホームページ等
  • URL: http://www-surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp