橋本克之助教、冨松透助教、佐藤健技術職員、平山祥郎教授の研究成果が東北大学からプレスリリースされました。

 

核スピン共鳴プローブ顕微鏡の開発に成功

【発表のポイント】

  • ミクロスコピック(注1)に量子状態を映し出すMRI(核磁気共鳴イメージング)を可能にする「核スピン共鳴プローブ顕微鏡」の開発に成功。
  • 開発した核スピン共鳴プローブ顕微鏡を量子ホール系(注2)に応用することで、スピン状態をミクロスコピックに映し出すことに成功。
  • 半導体など量子構造(注3)中にある原子核スピンの共鳴信号をミクロスコピックにとらえる手段がないという従来の課題をクリア。
  • 様々な量子構造のMRI診断を実現することで、様々な量子状態の解明やスピントロニクス(注4)分野の促進に貢献することが期待される。

【概要】
東北大学大学院理学研究科の橋本克之助教、冨松透助教、佐藤健技術職員、平山祥郎教授は、走査プローブ顕微鏡に(注5)核スピン共鳴技術を組み合わせた「核スピン共鳴プローブ顕微鏡」を開発し、髪の毛の細さの1万分の1の厚み、10分の1以下の幅に存在するスピン状態のMRI(核磁気共鳴イメージング)に成功しました。この研究成果は、量子構造における電子・原子核スピンの分布を明瞭に映し出す新しい技術を提供するもので、様々な量子状態の解明や、スピントロニクスデバイスのMRI診断への応用が期待されます。
なお、研究成果は英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に2018年6月7日午後6時(日本時間)に掲載されました。

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核スピン共鳴プローブ顕微鏡(左図)を用いて得られた電子スピン偏極度Peのカラースケールイメージ(右図3枚)。電子が閉じ込められている白点線に囲まれた領域を流れる電流(図上に示す)によってPeが変化している。また、カラーパターンが出ている領域は核スピン偏極が生じている領域でもある。

【用語説明】

注1) ミクロスコピック
肉眼では見えないマイクロメートル(1mmの千分の1)からナノメートル(1mmの百万分の1)の微小なサイズ。また、様々な現象を引き起こす微視的な原因となる要素のサイズを意味する。

注2) 量子ホール系(状態)
半導体量子井戸構造に閉じ込められた二次元電子ガスに強磁場を印可した際に生じる量子化状態。この状態では、電子と核のスピン(微小な磁石)が互いの磁気を感じあう特殊な状態が形成され、核スピン共鳴の抵抗検出が可能になる。

注3) 量子構造
半導体の場合、10ナノメートル(1ナノメートルは10-9 m、1mmの百万分の1)程度の構造を作り込むと、量子力学的な現象が顕著に表れ、従来のデバイスでは実現できない機能や性能を得ることができる。このように量子的な特性が表に出る構造を量子構造という。

注4) スピントロニクス
固体中の電子の電荷だけではなくスピンも工学的に応用する分野。今までのエレクトロニクスだけでは実現できなかった、スピンに由来する機能や性能を持つデバイスの開発が、現在行われている。

注5) 走査プローブ顕微鏡
走査プローブを用いた顕微鏡の総称。プローブ先端と試料表面の原子間に働く力や流れるトンネル電流を一定にしながら試料表面を走査することにより、試料表面形状を正確に画像化することができる。代表的なものとして、原子間力顕微鏡や走査トンネル顕微鏡、があり、本研究では前者を指す。

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)

論文情報:
Authors: Katsushi Hashimoto, Toru Tomimatsu, Ken Sato and Yoshiro Hirayama
Title: Scanning nuclear resonance imaging of a hyperfine-coupled quantum Hall system
Journal: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-018-04612-y

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