【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所 教授 米田忠弘
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 遷移金属ダイカルコゲナイド^＊１原子薄膜の反りでナノスケールの局所領域で磁性が発生することを実験で検証
• 遷移金属ダイカルコゲナイドである二セレン化ニオブの劈開表面に原子厚さを持つ1T相^＊２と呼ばれる原子構造の薄膜が出現
• 1T相の薄膜中の膜が反って曲面になった部分でのみ強いYSR^＊３（Yu-Shiba-Rusinov）状態が観察され、これが歪由来の磁性であることを検証した
• 薄膜の曲がりを制御して磁性をオン?オフできる能力は今後のナノ領域での磁場制御に貢献できる

【概要】

近年電子が持つスピンの自由度の利用が注目されており、スピントロニクス素子、あるいは量子コンピュータの情報の単位であるキュービット^＊４にスピンの利用などが盛んに研究されています。その制御には磁場の印加は欠かすことのできない手法ですが、先端デバイスではナノスケールの局所磁場が要求されます。局所的に磁場を制御することは簡単ではなく、例えば磁性を持った金属原子を配置することが考えられますが、その位置制御手法や磁場のオン?オフを実現することは容易ではありません。層状物質であり、原子数層の電子材料として注目される遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）はストレスをかけて格子が歪んだ場合、磁場が発生するという理論予測がなされています。しかしナノスケールでその様な歪を発生させる手法、および磁場が生じていても検知する分析手法がなかったのが現状です。

東北大学多元物質科学研究所のS.M.F.シャヘド助教と米田忠弘教授らのグループは、TMDの一種である二セレン化ニオブ(NbSe₂)を用い、薄膜が曲がると局所的に磁石として振る舞うことを実験的に検証しました。NbSe₂は低温で超伝導特性を示しますが、走査型トンネル顕微鏡を用いたトンネル分光を利用すれば、超伝導状態に特徴的な超伝導ギャップが観察可能です。そのとき磁性を持つ原子が近くに存在すると、ギャップ内部にYSRと呼ばれる磁場による散乱状態が観察され、この状態の検知は局所的磁場センサーとして用いることができます。NbSe₂を劈開した表面上に、１T相原子構造をもつ厚み一層の島が観察されましたが、その薄膜の一部で平坦ではなく曲面になっている場所が見つかりました。その箇所でトンネル分光を適用したところ、曲面の一部、最大の曲率をもつ箇所において明瞭で強度の強いYSRピークが観察されました。これは薄膜を曲げて、2 nm程度の微小領域にのみ局在する磁石を作成したことになります。局所的な曲がりの制御は同じ層状物質のグラフェンではすでに盛んに行われ、グラフェン?オリガミという研究テーマとして、直接的には走査プローブ顕微鏡の探針でグラフェンシートをナノメータースケールで切り、片方を持ち上げて折りたたむ実験はすでに示されており、またナノリボンとよばれる短冊状の原子層の片方にのみ電場を印加して静電力で機械的な曲げを生じさせる手法も議論されています。本発表の成果は薄膜の歪や曲げを利用したナノ領域の局所磁場の制御に応用可能と期待されます。

本研究成果は、2022年6月6日（英国時間）に英国王立化学会の学術誌「Nanoscale」にオンライン掲載されました。

【用語解説】

＊１　遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）
タングステン(W)、パラジウム（Pd）、白金（Pt）などの遷移金属元素 Mと、硫黄（S）、セレン（Se）、テルル（Te）のいずれかのカルコゲン元素 Xとが結合し、「 MX2」の化学組成で表される層状構造を持つ化合物。組成によって絶縁体から半導体、金属、超伝導体まで幅広く電子状態が変化する。また、層状結晶をバラバラにした原子レベルの厚さのシートにしても安定で、積層時とは異なる電子状態が発現することもあり、有望な次世代の電子素子として注目されている。TMDはTransition Metal Dichalcodenidesの略。

＊２　1T相、2H相
TMDの中に含まれる相。1H相は六方晶系の単位胞をもち、カルコゲンが正8面体的に金属原子を囲んでいるような結晶構造の相。2H相は積層方向にセレン- ニオブ - セレンのように配列して層をなし、各層は ファンデルワールス力でつながった三次元状の結晶構造の相。

＊３　YSR
超伝導は非磁性の不純物には耐性が強く転移温度も大きく変化しないが、磁性不純物に関しては強い影響を受け、その不純物による散乱によってギャップ内に新しい量子電子準位が生じることが知られている。これをYu-Shiba-Rusinov (YSR)状態と呼ぶ。

＊４　キュービット
量子ビットやキュビットとも言う。量子情報の最小単位で、従来の情報量の単位であるビットに対する表現。

詳細（プレスリリース本文）

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（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授　米田忠弘（こめだ　ただひろ）
電話：022-217-5368
E-mail：tadahiro.komeda.a1*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
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電話：022-217-5198
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