最表面の“スピン”と“構造”の複合分析を世界で初めて実現

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同時発表：筑波研究学園都市記者会（レク）文部科学記者会（資料配布）科学記者会（資料配布）

最表面の“スピン”と“構造”の複合分析を世界で初めて実現

－新しいイオンビームで次世代の磁気デバイス開発を加速！－

平成２３年１０月１９日

独立行政法人物質・材料研究機構

独立行政法人科学技術振興機構

概要

１．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長潮田資勝）光・電子材料ユニットのセラミックス化学グループ鈴木拓主幹研究員、菱田俊一グループリーダー、極限計測ユニットスピン計測グループ山内泰グループリーダーは、最表面（表面第一原子層）のスピン・元素組成・原子位置の複合分析に世界で初めて成功した。２．電子は電荷に加え、スピンという磁石の様な性質を持っている。電荷とスピンの両方を利用するデバイスはスピントロニクス１）_{と呼ばれ、電荷だけを利用する現在のデバイス（エレクトロニ} クス）に比べて遥かに高い性能が期待されることから、現在、世界中でその開発が進められている。３．スピントロニクス開発で鍵となるのは、最表面（表面第一原子層）の“スピン”と、元素組成や原子位置に関する“構造”の分析である。このうち、スピンに関しては、最先端の分析技術を用いてもその分析は極めて困難であり、この解決がスピントロニクス開発での課題となっていた。４．これに対し、“スピン偏極4_He+_{イオンビーム}２）_{”と呼ばれる新しいイオンビームは、最表面のス} ピンとだけ相互作用すると考えられており、この相互作用を利用することで最表面のスピンと構造の複合分析が実現すると期待されている。本研究者らは平成１９年に、ビームの性能指標（ビーム偏極率）が世界最高であるスピン偏極 4_He+_{イオンビームの開発に成功していた。ただし、そ} の複合分析の実現には、この相互作用（スピン軌道相互作用３）_{）の解明が課題となっていた。} ５．本研究では、この新しいイオンビームを用いて偏極 4_He+_{イオンと様々な原子を衝突させる実験} を系統的に行った。そして得られた実験データの詳細な解析から理論モデルを構築し、この相互作用の解明に成功した。６．本研究によって、比較的小型の装置で、手軽に、最表面のスピンと構造の複合分析が可能になったことから、今後、スピントロニクス開発の飛躍的な進展が期待される。７．本研究成果は、平成２３年１０月２１日(米国東部時間)発行(予定)の米国物理学会の論文誌 Physical Review Lettersに掲載され、オンライン版にて１０月１８日に公開される。

また本研究は、独立行政法人科学技術振興機構研究成果展開事業（先端計測分析技術・機器開発プログラム）における開発課題「スピン偏極イオン散乱分光」（チームリーダー：鈴木拓）の一環として行われたものである。

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研究の背景現在、電子の持つ電荷のみならずスピンも利用する新しいデバイスとして、スピントロニクスの開発が広く進められている。スピントロニクスの基本動作原理としては、例えば巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果がある。これらはいずれも、磁性層／非磁性層の界面で発現するので、スピントロニクスの開発では、表面・界面のスピン分析が不可欠である。とりわけ、最表面に相当する表面第一原子層のスピンの特性は、スピントロニクスに向けた材料開発の指標として、その分析が強く求められてきた。しかし現在の最先端の分析技術でさえ、最表面のスピンを分析することは極めて困難であり、これがスピントロニクス開発の課題の一つとなってきた。これに対し、“スピン偏極4_He+_{イオンビーム”と呼ばれる新しいイオンビームは最表面とスピンの} 双方に極めて敏感というユニークな特徴を有していることから、これを利用することで最表面の「スピン」と原子位置などに関する「構造」の複合分析が実現する可能性がある。具体的には、He+_イオンは最表面で電子を受け取り He 原子となる性質（イオン中性化）があるが、これが起こるのは He+ イオンのスピンと最表面の電子のスピンが逆向きの場合に限られる（図１(A)）。一方、それらが同じ向きの場合には、イオン中性化は起きない（図１(B)）。したがって、He 原子とはならずに散乱された He+_{イオンを観測することで、最表面スピンの特性を構成元素ごとに分析することができる。} ただし、He+_{イオンが最表面の原子で散乱される際、He}+_{イオンの持つスピンによって散乱されやす} い方向が異なる性質（スピン軌道相互作用）があり（図２）、この効果は上記のイオン中性化にしばしば重畳する。その結果、散乱イオン強度のスピン依存性（スピン非対称性）がイオン中性化とスピン軌道相互作用のどちらによるものか判別ができず、データの解析に問題が生じてきた。つまり、スピン非対称性の起源としては、最表面スピンを反映するイオン中性化以外に、最表面スピンとは無関係のスピン軌道相互作用があるため、スピン非対称性から最表面スピンに関する情報を抽出するには、イオン中性化とスピン軌道相互作用からの寄与をそれぞれ明らかにする必要がある。しかし、スピン軌道相互作用は未解明であったため、最表面スピンの分析がしばしば困難となってきた。この問題を解決するために、He+_{イオン散乱}４）_{におけるスピン軌道相互作用の解明が求められていた。} 今回の研究成果本研究者らは、これまでスピン偏極4_He+_{イオンビームの開発を進めてきた。７年前（平成１６年）} に世界で２番目にスピン偏極 4_He+_{イオンビームの発生に成功して以降も、継続して開発を進めてお} り、平成１９年にビームの性能指標（ビーム偏極率）が世界最高であるビームの開発に成功するなど、本技術では世界を先導する立場にある。本研究では、この新しいイオンビームを用いて偏極 He+ イオン－原子衝突実験５）_{を行った。具体的には、標的元素で構成される基板を超高真空中に設置し、} これに偏極 He+_{イオンの運動エネルギー（入射エネルギー）を揃えて入射し、特定の方向に散乱され} る He+_{イオン強度のスピン依存度（スピン非対称率）を観測した。そして、このスピン非対称率と散} 乱角および入射エネルギーとの関係を、様々な標的元素について系統的に調べた。その上で、スピン軌道相互作用の理論モデルを構築し、この理論モデルから計算されるスピン非対称率と実験値との比較を詳細に解析することで、スピン軌道相互作用の解明に成功した。図３で示される様に、ス

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面のスピン分析が可能になった。実は、本研究以前では、イオン－原子衝突におけるスピン軌道相互作用の効果はよく分かっておらず、その効果が現れるのは、入射イオンが核スピンを持ち、なおかつ入射エネルギーが 1 MeV 以上の高エネルギーの場合に限られると伝統的に考えられていた。したがって、入射エネルギーが 1 keV 程度のイオン－原子衝突ではスピン軌道相互作用の効果は現れず、その挙動は基本的にはクーロン相互作用（電荷間に働く力）で説明できると考えられてきた。しかし本研究で初めて、入射イオンが電子スピンを持てば、低エネルギーでもスピン軌道相互作用の効果が現れることが明らかとなったことで、クーロン相互作用だけではイオン－原子衝突は説明できないことが明らかとなった。イオン－原子衝突は、化学反応、放電、プラズマなどの物理・化学で現れる様々な素過程と深く関連するため、これまで広くその実験が行われてきた。そのイオン－原子衝突を規定するのは相互作用ポテンシャルである。今回の発見は、これまでクーロン相互作用のみで構成されていた相互作用ポテンシャルの見直しを求めるもので、物理・化学の広い分野に関係する重要な発見である。今回、イオン－原子衝突におけるスピン軌道相互作用の効果が発見され、その役割が解明された意義としては、最表面スピン分析が可能になったこと以外に、本発見が偏極イオンビームの新しい発生方法につながる成果であることが挙げられる。すなわち、今回解明されたスピン軌道相互作用を利用することで、偏極イオンビームの発生が可能であることが明らかになった。これまで、偏極イオンビームの発生には、高価なレーザーが必要であり、それを極めて高い精度で調整する必要であったことから、偏極イオンビームの実験は一般には高度な実験技術が必要であった。しかし、本研究の発見は、散乱イオンは一般にスピン軌道相互作用の結果、スピン偏極していることを示している。つまり、これまでのような高価なレーザーを使用しなくても、単にスピン軌道相互作用を利用することで、従来の性能を凌駕する偏極イオンビームが発生可能であることが分かった。例えば、図 3(A)では、鉛を標的とした散乱角 70 度の条件で、25%程度のスピン非対称率が観測されている。これはすなわち、1.57 keV のエネルギーで無偏極の He+_{ビームを鉛標的に衝突} させた際、70 度方向に散乱された He+_{ビームはスピン軌道相互作用の結果、スピン偏極しており、} その偏極率は約 25%であることを示している。また、図３(B)で観測されている様に、入射イオン速度を上げれば、その偏極率も上がることが分かった。本実験は装置上の制約から、入射イオン速度は 3×105_{m/s 以下の条件で行われたが、この結果から、今後入射イオン速度をさらに上げることで、} ビーム偏極率の向上が十分に期待できる。今後の展開と波及効果本研究によって、スピン偏極 4_He+_{イオンビームによる最表面スピン分析の実現に目処が立った。} 最表面のスピンと構造に関する複合分析が可能な手法は、今のところ、本研究で確立されたスピン偏極4_He+_{イオンビームによる手法しかない。また本手法は、大きさが約 1 m 程度と比較的小さいこ} とから、手軽に実験を行うことができる。これらのことから、今後、本手法のスピントロニクス開発への展開が期待される。

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本件に関するお問い合わせ先（研究内容に関すること）独立行政法人物質･材料研究機構光・電子材料ユニットセラミックス化学グループ鈴木拓（すずきたく）〒305-0044 茨城県つくば市並木 1-1 E-mail：[email protected] Tel：029-859-2825 Fax：029-855-1196 （JST の事業に関すること）独立行政法人科学技術振興機構イノベーション推進本部産学基礎基盤推進部（先端計測分析技術・機器開発担当）安藤利夫（あんどうとしお）〒102-0075 東京都千代田区三番町５三番町ビル E-mail：[email protected] Tel：03-3512-3529 Fax：03-3222-2067 （報道担当）独立行政法人物質・材料研究機構企画部門広報室〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1 Tel：029-859-2026 Fax：029-859-2017 独立行政法人科学技術振興機構広報ポータル部〒102-8666 東京都千代田区四番町 5 番地 3 E-mail：[email protected] Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432

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用語解説１）スピントロニクス電子はスピンと呼ばれる微尐な磁石のような性質を持っている。電子の電荷のみならず、このスピンも利用する新しいデバイスのことをスピントロニクスと総称する。２）スピン偏極4_He+_{イオンビーム} 4 ヘリウム(4_He+_{)イオンのスピンには、上向き、下向きと表現される２種類がある。}4_He+_イオンの集合体であるビームでは、上向きと下向きのスピンを持つ4_He+_{イオンは同数である。これに対して、} 何らかの人為的な方法で、上向き、または下向きスピンの方へ数分布を偏らせたビームのことをスピン偏極4_He+_{イオンビームと呼ぶ。また、その偏りの程度はビーム偏極率と呼ばれ、ビームの性能} 指標となる。スピン偏極 4_He+_{イオンビームは、}_{2007 年に本研究者らによって世界最高のビーム偏} 極率25%が達成された新しいイオンビームである。３）スピン軌道相互作用一般的には、スピンを持つ荷電粒子が電場の中で束縛軌道を回っているときに働く、スピン角運動量S と軌道角運動量 L のベクトル間の角度に依存する相互作用 S・L。散乱におけるスピン軌道相互作用は、入射種自身の標的核の周りの過渡的な回転運動の軌道角運動量と入射種のスピンとの相互作用のこと。４）イオン散乱 1keV 程度の運動エネルギーを持つ、比較的軽いイオンを固体表面に入射して散乱させることで、固体表面の情報を得る手法。表面で散乱されるイオンをエネルギー分析すれば、表面に存在する元素種とその濃度、表面上の原子配列が決定できる。５）イオン－原子衝突実験運動エネルギーの揃ったイオンを標的原子に入射して衝突させ、そこから発生する散乱イオンなどを検出することで、衝突における素過程を解明する目的で行われる実験。６）パウリの排他原理電子は量子状態それぞれに1 個しか存在することができない。量子状態では電子が持つ 2 種のスピン（上向き、下向き）も区別されるので、一つの軌道に2 個の電子が入ることができるが 2 個の電子のスピンは互いに逆向きでなければならない。７）散乱イオンの分光計測上記のイオン－原子衝突実験において、特定の方向に出射した散乱イオンの強度をその運動エネルギーの関数として計測すること。

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図１スピン偏極4_He+_{イオンビームによる最表面スピン分析の原理図。He}+_{イオンは表面で散乱さ} れる際、最表面で電子を受け取り He 原子となる（イオン中性化）。ただし、中性化が起こるのは、 He+_{イオンのスピンと最表面の電子のスピンの向きが反平行の場合に限られる（パウリの排他原理} ６）_）_{。したがって、(A)では He}+_{イオンは中性化されるのに対し、(B)では中性化が起きない。つまり} 中性化は最表面電子のスピンに依存するので、イオン中性化を経ずに散乱された He+_{イオンを観測} することで、最表面の電子スピンを分析できる。図２ He+_{イオン散乱におけるスピン軌道相互作用の概念図。}_He+_{イオンが最表面の原子で散乱され}

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図３スピン偏極4_He+_{イオン－原子衝突実験における散乱イオンの分光計測}７）_{から得られたデータ} と、その解析結果。(A)は入射イオンのエネルギーが 1.57 keV、標的原子が鉛の場合の散乱イオン強度のスピン依存度（スピン非対称率）と散乱角との関係。入射イオンビームから見て左に散乱されるとき（散乱角θ）と右に散乱されるとき（散乱角θ’）でスピン非対称率の符合が逆になっており、これは右方向と左方向の散乱では、散乱 He+_{イオンのスピンの向きが逆向きであることを示してい} る。(B)は散乱角が 150 度、標的原子が金の場合のスピン非対称率と入射イオン速度との関係を示している。速度が大きいほどスピン軌道相互作用が強くなりスピン非対称率が増加している。(A)と(B) の実験データは、スピン軌道相互作用モデルに基づく理論解析の結果と良く一致している。