最表面の“スピン”と“構造”の複合分析を世界で初めて実現

＜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１つとなってきた。

これに対し、“スピン偏極４Ｈｅ＋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^注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４Ｈｅ＋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４Ｈｅ＋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^注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で示されるように、スピン非対称率の散乱角に対する依存性（図３（Ａ））と入射イオン速度に対する依存性（図３（Ｂ））の実験結果は、今回構築した理論モデルによって良く説明されている。このように、今回の研究でスピン軌道相互作用の解明に成功した背景としては、これまでの開発で蓄積されたスピン偏極４Ｈｅ＋イオンビームの発生に関する高い技術がある。そしてこの解明により、スピン非対称率におけるスピン軌道相互作用の寄与分が決定できるようになったため、スピン偏極４Ｈｅ＋イオンビームによる最表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１ＭｅＶ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１ｋｅＶ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、１．５７ｋｅＶ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）で観測されているように、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３×１０５ｍ／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４Ｈｅ＋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４Ｈｅ＋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１ｍ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。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） スピントロニクス

電子はスピンと呼ばれる微少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。

注２） スピン偏極４Ｈｅ＋イオンビーム

４ヘリウム（４Ｈｅ＋）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。４Ｈｅ＋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４Ｈｅ＋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４Ｈｅ＋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４Ｈｅ＋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。

注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。

注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。

注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。

注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、１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。

注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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