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

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21119
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 宮町 俊生 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (10437361)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 走査トンネル顕微鏡 / トポロジカル絶縁体 / 近藤効果 / 磁性単一原子

研究実績の概要

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SmB6は近年、トポロジカル近藤絶縁体(TKI)と理論予測され、新奇なトポロジカル物性の発現が期待されている。これまでに研究代表者はアルゴンスパッタリングと加熱処理による大面積で均一なSmB6(001)表面作製法を確立し、バンドギャップ中に現れる金属状態がトポロジカルな性質を強く反映した表面状態であることを走査トンネル顕微鏡(STM)測定により明らかにした(Sci. Rep 2017)。本研究ではさらにSmB6(001)表面上に磁性単一原子を作製し、SmB6-磁性単一原子間に働く磁気相互作用をSTMを用いて原子スケールで調べることにより、近藤効果がSmB6のトポロジカル表面状態の発現に及ぼす影響を明らかにすることを目的とする。

本年度は、加熱温度の精密制御によりp(1×1)表面とc(2×2)再配列表面の2種類の表面構造を作製できるようになったSmB6(001)表面に極低温その場蒸着により磁性Co単一原子を作製し、SmB6-磁性単一原子間に働く磁気相互作用をSTM分光測定により明らかにすることを試みた。SmB6(001)表面上の磁性Co単一原子は、液体ヘリウム温度に冷却したクライオスタット内のSmB6単結晶に電子ビーム蒸着源を用いてCoを蒸着することにより作製できる（その場蒸着）。しかし、研究開始当初、その場蒸着後のSTM構造観察からSmB6(001)表面上に磁性Co単一原子を確認することができなかった。そこで、明らかになった問題の原因分析を行い、電子ビーム蒸着源の設置角度やSTM装置設計に問題があることがわかった。対応策として、電子ビーム蒸着源の設置角度を調整できるようにするとともに、STM装置の改良を行った。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度はSmB6(001)表面上に作製したCo単一原子のSTM測定を行い、SmB6-磁性単一原子間に働く磁気相互作用を調べることによってSmB6(001)表面に現れるトポロジカル表面状態の起源を強い電子相関（近藤効果）の観点から解明することであった。しかし、磁性単一原子作製のための「その場蒸着」の機構に問題があり、Co単一原子を確認することができなかった。問題解決のため、電子ビーム蒸着源周りやSTM装置の改良を行う等、研究計画を変更する必要が生じた。本年度後半に装置改良・整備が完了し、その場蒸着のテストとしてCu(001)表面に窒化銅単原子層を成長させ、その上にCo単一原子の作製を試みた。先行研究より、窒化銅単原子層上のCo単一原子の吸着サイトやスピン励起スペクトルは明らかになっている。STM原子分解能構造観察および分光測定の結果、先行研究同様の結果が得られ、Co単一原子が作製できていることを確認した。

その場蒸着機構の改良と並行してトポロジカル物質を中心とした関連物質の研究を進め、これらの研究成果については国内学会で発表を行い、さらに学術雑誌に論文発表した。

今後の研究の推進方策

今年度はSmB6(001)表面上に磁性単一原子を作製するための「その場蒸着」の機構の問題が明らかとなり、問題解決のため電子ビーム蒸着源周りやSTM装置の改良を行う必要が生じた。今年度後半にSTMの装置を改良・整備し、その場蒸着によってCo単一原子を作製できることを確認しており、次年度はSmB6(001)表面上のCo単一原子のSTM観察を行う。SmB6(001)表面の近藤状態は、磁性単一原子近傍では磁性単一原子の磁気異方性との競合が起こり、弱まると考えられる。一方、磁性単一原子との距離が遠い領域では磁気相互作用は弱く、SmB6(001)表面は通常の強い近藤状態を示すと考えられる。このSmB6(001)表面の近藤状態の空間変調がトポロジカル表面状態に及ぼす影響をSTM分光測定により実空間原子分解能で明らかにする。また、試料作製条件の精密制御によりp(1×1)構造とc(2×2)構造を持ったSmB6(001)表面を選択的に作製できることを明らかにしていることから、SmB6(001)表面構造の違いがトポロジカル表面状態およびCo単一原子との磁気相互作用に及ぼす影響についても原子スケールで調べる。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。

次年度使用額が生じた理由

本年度中にSmB6(001)表面上に作製したCo単一原子のSTM測定を行い、SmB6-磁性単一原子間に働く磁気相互作用を調べることによってSmB6(001)表面に現れるトポロジカル表面状態の起源を強い電子相関（近藤効果）の観点から解明する予定であった。しかし、磁性単一原子作製のための「その場蒸着」の機構（電子ビーム蒸着源の設置角度およびSTM装置設計）に問題があり、Co単一原子を作製することができなかった。問題解決のため、電子ビーム蒸着源周りやSTM装置の改良を行う等、研究計画を変更する必要が生じた。また、新型コロナウイルス感染症の影響により研究活動が制限され、上記のSTM装置の改良・整備作業に遅延が生じたため、次年度使用額が生じた。

研究成果

• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Karlsruhe Institute of Technology
• [雑誌論文] Structural and electrical characterization of the monolayer Kondo-lattice compound CePt6/Pt(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Ienaga, Sunghun Kim, Toshio Miyamachi, Fumio Komori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 165419
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.165419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd,Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Miyamachi, C. Surgers, W. Wulfhekel
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 115504～115504
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac2a56
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic structure of 3°-twisted bilayer graphene on 4H-SiC(0001) (2021)
  • 著者名/発表者名: Takushi Iimori, Anton Visikovskiy, Hitoshi Imamura, Toshio Miyamachi, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Kazuhiko Mase, Kan Nakatsuji, Satoru Tanaka, Fumio Komori
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 5 ページ: L051001
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.L051001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatial Control of Charge Doping in n-Type Topological Insulators (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Sakamoto, Hirotaka Ishikawa, Takashi Wake, Chie Ishimoto, Jun Fujii, Hendrik Bentmann, Minoru Ohtaka, Kenta Kuroda, Natsu Inoue, Takuma Hattori, Toshio Miyamachi, Fumio Komori, Isamu Yamamoto, Cheng Fan, Peter Kruger, Hiroshi Ota, Fumihiko Matsui, Friedrich Reinert, Jose Avila, Maria C. Asensio
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 ページ: 4415～4422
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01100
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Pt(111)上のCePt2単原子層の成長と電子状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 加藤弘一, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] CoPc/γ'-Fe4N 有機-無機ハイブリッド薄膜の界面磁気状態 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Anomalous Nernst effect in Co/Au/Fe trilayer thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Fukuda, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Anomalous Nernst and Hall effects in Ge-doped Co thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Tsujimoto, Toshio Miyamachi, Masaki Mizuguchi
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 宮町俊生, Wulf Wulfhekel
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 川越毅, 宮町俊生, 菅滋正
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 大面積数度ツイストグラフェンの電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] 単層近藤格子CePt2/Pt(111)の構造と電子状態 (2021)
  • 著者名/発表者名: 家永紘一郎, 金聖憲, 宮町俊生, 小森文夫
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Resolving the spin polarization and magnetic domain wall width of (Nd, Dy)2Fe14B with spin-polarized scanning tunneling microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshio Miyamachi, Wulfhekel Wulf
  • 学会等名: ICMaSS2021
  • 国際学会
• [学会発表] Challenges in the application of spin-polarized STM to materials science (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshio Miyamachi
  • 学会等名: The 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 国際学会 / 招待講演