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本研究では、レーザ光照射と走査トンネル顕微鏡(STM)法を組み合わせるこにより、欠陥などの原子スケールの構造ゆらぎと光誘起金属-絶縁体相転移との関係を局所的かつ動的に調べた。まず、STMによる構造観察および走査トンネル分光法(STS)による相状態の局所物性評価により、Si(111)表面上に作成したインジウム(In)ナノワイヤー系について、レーザ光照射によって相転移が誘起されることを発見した。この金属-絶縁体相転移の発現機構として、Si基板のバンドが表面付近で湾曲しているために、基板から最表面In層に電荷が注入されて、In系の電子状態が変化して転移が誘起されるとしうモデルを提唱した。また、レーザ光照射だけでなく、探針-試料間電圧を変えることによっても相転移を制御できることを明らかにした。
前述のモデルによれば、相転移の速度は、バンド湾曲の緩和の速度によって決まることが予想される。これを確認するため、フェムト秒パルスレーザを用いた時間分解STM法を用いて相転移の動的挙動を調べた。その結果、時間分解STMトンネル電流が、バンド湾曲の緩和時間と同程度の時定数(200ns程度)で時間変化しており、モデルの正しさを示していた。本研究で明らかになった相転移現象および制御法は、これまで報告例がなく、全く新しい機構に基づくものである。この方法は、可逆的かつ高いスイッチング速度での相転移制御を可能とし、また、他の低次元金属/半導体基板系にも適用できるなど、幅広い応用が期待できる。
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