ナノスケール物質のスピン・電子物性を明らかにすることを目標に研究を進めています。極低温での相転移、表面における磁性、光やトンネル電子励起による表面現象などを解明するために、表面のスピン電子状態を原子サイズの分解能で調べられる走査トンネル顕微鏡(STM)、(スピン分解)光電子分光装置、レーザー光を用いた磁化測定装置などを使用しています。電子散乱抑制ヘリカルにスピン偏極した表面2次元金属電子状態があるトポロジカル絶縁体では、表面電子の特異な性質が観察できます。よって測定された表面バンド分散とを比較することで、電子後方散乱の抑制を研究しています。よる表面バンド図(矢印はバルクバンド)。100°以上の後方散乱が抑制されています。用いてバンド間散乱ベクトルを求め、トポロジカル絶縁体Bi1-xSbxのバンド構造を調べています。複数のスピンヘリカルバンドがあるこの系でも、正確なバンド構造が明らかになります。dI/dV像(c)とそのFFT像(d)。そのエネルギー依存性から、バンド分散が求まります。FFT像のエネルギー依存性(a-e)から散乱ベクトル(f)が求まり、表面バンド構造がわかります。磁性体探針を使った走査トンネル顕微鏡STMをもちいると、磁性体表面のスピン偏極を原子分解能で観察できます。Cu(001)面上のfcc鉄超薄膜では、表面のスピン偏極度が、膜厚や局所原子構造に大きく依存しています。site鉄ができています。トンネル電流励起によって生じる局所表面変化トンネル電流によって誘起される局所構造変化をGe(001)表面で調べています。バイアス電圧を変化させることにより、局所的に表面超構造が変化します。Ge(001)表面での電子やホールの励起エネルギーが、表面ゲルマニウム原子間の結合角度を変える運動エネルギーに変換されて生じています。これを応用すると、このページの上のように、20ナノメートル四方の表面にくり返して字を書くことができます。Ge(001)表面のふたつの超構造とSTMバイアス電圧の関係Sn吸着Ge(001)表面での原子スイッチトンネル電流によってSn-Geダイマーの傾斜角度を変えることにより、表面での電子伝搬を制御することができます。原子位置の変化が電子に対するポテンシャルを変化させ、表面状態1次元電子系の散乱も変化し、定在波が現れたり消えたりします。Sn/Ge(001)表面に観測される定在波(a,b)がSn-Geダイマーの傾斜角度反転により消え(d,e)ます。これは、表面を流れる電子(c,fの緑の波線)がSn-Geダイマーで反射される場合とされない場合を切り替えているからです。紫外光を照射後の塩素吸着Si(111)-7×7表面について調べています。超構造が表面に露出しています。リコン中の電子やホールが表面で緩和することによって生じています。ナノリップルグラフェンの非弾性トンネル分光シリコンカーバイドのファセット面上にナノスケールの波構造のあるグラフェンを作りました。(ARPES)でレプリカπバンドが観察されています。この表面では、非弾性トンネル分光によって、グラフェンのフォノンが観測できます。その強度は波構造の周期で振動します。このことから、グラフェンの下にグラフェンナノリボンが形成していると考えられます。シリコンカーバイドファセット上に成長したナノリップルグラフェンのLEEDおよびARPES像。LEEDにはサテライトスポットが、ARPESにはレプリカバンドが観測されています。シリコンカーバイドファセット上に成長したナノリップルグラフェンのSTMおよびSTS像。波構造に応じてトンネルスペクトルが周期的に変化しています。用いて用いて微傾斜シリコンカーバイド(0001)面上に作製した単層グラフェンナノリボンのπ電子状態を調べています。リボンの幅が狭いとディラック点でバンドギャップが生じます。バンド微傾斜シリコンカーバイド(0001)面上に成長した単層グラフェンのAFM像とπ電子状態を光電子分光で測定した結果。ディラック点にバンドギャップが観測されています。極低温STMを用いて用いて微傾斜シリコンカーバイド(0001)面上の単層グラフェンの構造とπ電子状態を調べています。基板からの電子がドープされ、ディラック点はフェルミエネルギ—より下がります。バンドが異方的になります。微傾斜シリコンカーバイド(0001)面上の単層グラフェンのπ電子状態を光電子分光で測定した結果。ディラック点付近にπバンドの曲がりがあります。グラフェンは、基板表面のステップの上にもカーペットのように広がっています。Pt/Ge(001)表面にできた1次元ナノワイヤ—の電子状態Pt吸着Ge(001)表面には、1次元ナノワイヤ—列がができます。その表面バンドには、1次元的な金属バンドが複数観察されています。Pt/Ge(001)表面の1次元表面バンド。二つの1次元金属バンドが観測されています。Au/Ge表面にできた2次元電子状態Auが吸着したGe(111)表面とGe(001)表面どちらにも、2次元的な金属バンドがあります。原子配列は、Au/Ge(111)が2次元的で、Au/Ge(001)が1次元的です。上はAu/Ge(111)表面の2次元電子バンドと原子配列モデル。下はAu/Ge(001)表面にできた1次元ナノワイヤ—構造のSTM像。窒素が吸着したCu(001)表面に作製した強磁性原子層Fe2Nでは、探針-表面間の距離に依存して、原子像の形状とトンネル分光が変化します。探針が表面に近い場合には、表面鉄原子の3d電子状態からのトンネル電子を探針が検出しており、鉄原子の表面配列に一致する像が観察されます。探針が表面から遠ざかると、波動関数の浸み出し距離が短い3d電子状態からのトンネル電子が少なくなり、sp電子状態からのトンネル電子が支配的となり、表面原子配列とは一致しない像に変わります。結晶(左図(a))を窒素を含む面が、Cu(001)面上の原子層Fe2Nです。その表面超構造は左図(b,c)のモデルとなります。表面を観察すると左図(d-g)のように、探針-表面間距離に依存してSTM像が変化します。ここで、(d)が距離が短く、(g)が最も長い。左図(h)のSTM像のラインプロファイルのトンネル電流(探針-表面間距離)依存性をみると、距離が遠くなると、二つの山が一つになることがわかります。(a)のトンネル分光と(b)局所状態密度計算の結果はよく一致しています。(c)のように相対的に小さくなり、対応してSTM像が変化します)右図(d-f)。窒素が吸着した銅(001)表面上には、図のようなナノパターンが生じます。分光で調べてみると、ナノパターン形成に伴う結晶格子ひずみの影響により、表面の電子状態のエネルギー上昇が観測されています。この表面の化学反応性の変化もSTMによって観測されています。窒素吸着Cu(001)面上の2次元格子ナノパターンのSTM像。窒素吸着によって生じた銅結晶ひずみがこのナノパターンを形成し、電子状態が変化します。局在した2次元電子系は、構造相転移にともなって金属非金属転移をおこすことがあります。スズ吸着銅(001)表面では、スズの吸着量に応じて表面超構造が異なるいくつかの相が現れ、スズを3/8と1/2原子層(ML)含む表面では、高温で金属的表面が低温で非金属になります。スズ吸着量の異なるCu(001)面のSTM像。銅(001)面上に単原子層の窒化マンガンを作成すると、周期3.5nmの正方格子ナノ構造が形成されます。溝の部分は単原子の深さであり、そこもMnNで覆われています。この周期構造は、銅と窒化マンガンの界面での格子不整合を緩和する機構で形成されます。この単層MnNは反強磁性になります。Cu(001)面上に自己形成した単原子層窒化マンガンナノドット2次元配列のSTM像。周期3.5nmで規則的に配列しています。直径が5nm程度厚さが2原子層程度のコバルト微小ドット配列を窒素が吸着した銅(001)表面上に作成し、磁性を調べています。ドット自体の超強磁性とそれらが磁気的に結合するために生じる磁性が観測されています。窒素吸Cu(001)面上のコバルトドット2次元配列のSTM像。窒素吸着によって生じた銅表面のナノメータースケールのパターン上に直径5nmのコバルトドットが7nm間隔で規則正しく配列しています。開発した超高真空極低温STMを用いて、主としてトンネル分光による電子状態の温度変化を調べています。超伝導NbSe2表面では、電荷密度波相との境界付近の局所電子状態の空間変化や、表面磁性微粒子による超伝導対破壊を調べています。NbSe2表面のSTM像。