Projects – Hasegawa Lab

長谷川研究室では、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を使って、表面上でのナノスケールでの解明を進めています。

ＳＴＭは、探針（プローブ）と呼ばれる針を観察したい試料表面に近づけ、表面をなぞることによって表面の凹凸を見る顕微鏡です。針と試料との間に流れるトンネル電流を利用することによって、針を原子数個分ほど離れた位置に保持しながらなぞることができるので、表面上の原子スケールの凹凸、すなわち原子像を撮ることができます。走査トンネル分光（ＳＴＳ)と呼ばれる手法を併用すれば、針直下の試料表面での電子状態に関する情報も得ることもできます。

長谷川研究室では特に、低温・磁場中・RF環境下などの特殊環境下での精度の高い測定にこだわっており、他の手法では得られない現象の観測を目指しています。

ここに書かれている研究内容の他にも、様々な共同研究や装置開発なども行っています。

We are working on studies of surface science in nanometer scale using scanning tunneling microscopy (STM).

STM detects a topography by scanning a very sharp tip closely above a sample surface. Tip-sample distance can be stabilized by detecting tunneling current which changes dramatically depending on the tip-sample distance. By scanning tunneling spectroscopy (STS), we can get information about electronic states in atomic scales.

Especially, we focus on precise measurements in extreme conditions, such as low temperature, high magnetic field, RF electromagnetic field.

Besides the above subjects, we are working on various joint researches and system developments.

1. 表面二次元電子系の物性観測 (Electronic states of two dimensional systems)

表面数原子層に局在した電子状態を持つ表面系を利用して二次元電子系に関するさまざまな現象の実空間観察を目指しています。
対象は、吸着原子など表面構造との相互作用、閉じ込め効果、電子定在波・フリーデル振動・遮蔽効果、フォノンとの相互作用によるフェルミ面近傍の電子状態、近藤効果などなど、低温（液体ヘリウム）超高真空走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いたトンネル分光による高精度での電子状態測定技術が鍵となります。

We are working on real space measurements of electronic systems confined in a few atomic layers.
Our interests are various phenomena of surface, such as interactions between substrates and adatoms, standing waves, Friedel oscillations, shielding effects, electron-phonon interactions, and Kondo effects.
Ultrahigh vacuum and low temperature conditions are the key role to reveal high resolution STM measurements.

References:
M. Ono et al.,Appl. Surf. Sci. 256, 469-474 (2009)
M. Ono et al.,Phys. Rev. Lett. 96, 016801 (2006)

2. ナノサイズ超伝導体 (Nano-sized superconducting materials)

シリコン基板上に超伝導体である鉛を蒸着することによって、アイランド構造や単層超伝導薄膜を作製し、その超伝導特性をトンネル分光測定により評価しています。サイズ・形状依存性や磁場中での磁束の侵入特性、そして常伝導体への超伝導特性のしみ出しに興味を持って研究を行っています。世界でも稀少なヘリウム３冷却（到達温度０．４Ｋ以下）の超高真空ＳＴＭにより測定しており、ｍｅＶ以下の精度での計測が可能です。

We are interested in superconducting properties of nano sized island and films of superconductors (e.g., Pb). Superconducting properties, such as formation of vortices, proximity effect, and critical field) depending on size and shape are studied by low temperature (~0.4K) and ultrahigh vacuum STM.

References:
H. Kim et al.,Phys. Rev. Lett. 117, 116802 (2016)
H. Kim and Y. Hasegawa Phys. Rev. Lett. 114, 206801 (2015).
など

3. 表面吸着分子の磁性とスピン偏極STM (Magnetic molecules studied by spin-polarized STM)

磁性探針を用いて磁性表面を測定すると、トンネル磁気抵抗効果によって探針とサンプルの磁化の向きに依存してトンネル電流が変化するために、表面における磁気構造を原子スケールで詳細に調べることも可能となります。また、表面ナノ磁性体に対して様々な磁場で測定を行うことで、その磁性体の磁化曲線を描くことも可能です。現在は、その対象として磁性分子に興味を持って研究を行っています。最終的には、スピン偏極STMと分子マニピュレーションを組み合わせて、低次元量子スピン系を表面上で構成し、その量子磁性を調べることを目指しています。

When a magnetic tip is used for scanning, sample magnetic structures in nanoscale can be investigated by detecting tunneling magnetoresistance between a tip and a sample. In addition, magnetization curve can be measured in magnetic fields. We are interested in magnetic molecules, taking into consideration to build up a low dimensional system by the atomic/molecule manipulation technique.

研究成果：
S. Yamamoto et al.,Phys. Rev. B 93, 081408(R) (2016)
など

4. スピン偏極STMによる重元素基板上の3d磁性金属薄膜の研究 (Chiral magnetism studied by spin-polarized STM)

重い基板上の磁性薄膜 (タングステン表面上の3d磁性金属薄膜など) は、ジャロシンスキー守谷相互作用によって複雑な磁気構造が現れます。我々はスピン偏極STMによってその磁気構造や励起状態の研究に取り組んでいます。

Complex magnetic structures appear due to the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on magnetic thin films formed on heavy metals, such as 3d magnetic metal thin films on a tungsten substrate. We study the magnetic structures and excitation state in a nanometer scale.

研究成果：
M. Haze et al., Sci. Rep. 7, 13269 (2017).
M. Haze et al., Phys. Rev. B 95, 060415(R) (2017).
など

5. 重い電子系超伝導体のSTM/STS (STM/STS studies of heavy fermion materials)

BCS理論では説明することができない磁性と共存する特異な超伝導体に対し、ヘリウム３冷却（到達温度０．４Ｋ以下）の超高真空ＳＴＭを用いて走査トンネル分光の空間マッピングを行うことでその物性を明らかにする研究を行っています。またこのような非従来超伝導と磁性ととの関りをスピン偏極STMによって明らかにすることも目指しています。

Unconventional superconductivity, which cannot be explained by BCS theory, is studied by He3 low temperature (~0.4K) STM/STS. Moreover, the relationship between unconventional superconductivity and magnetism is studied by spin-polarized STM.

研究成果：
H. Kim et al., Sci. Adv. 3, eaao0362 (2017)
など

6. 走査トンネル・ポテンショメトリーによる表面電気伝導の研究 (Surface conductivity studied by scanning tunneling potentiometry)

走査トンネルポテンショメトリーとは、表面の電位の空間分布を非常に高精度に調べることができる測定手段で、試料の両端に電圧をかけて、ゼロバイアス付近でトンネル電流がゼロになるように、探針－試料間のバイアス電圧をフィードバック制御することにより、電位を決定することができる。いずれはこの測定法とスピン偏極STMと組み合わせて、スピン流の空間分布を調べることを目的として研究を進めています。

Scanning tunneling potentiometry is a powerful tool to study surface conductivity in nanoscale. We are interested in surface conductivity of Si(111)-7×7, thin film, and topological materials. We are also interested in detection of spin current by the combination with spin-polarized STM in low temperature.

研究成果：
M. Hamada and Y. Hasegawa,Phys. Rev. B 99, 125402 (2019).
M. Hamada and Y. Hasegawa, Jpn. J. Appl. Phys. 51, 125202 (2012)
など