Creation of low-dimensional magnetism through on-surface chemical reaction

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本研究の目的は、低次元で磁気秩序を生み出す分子スピン集合体の磁性と構造の関係を解明し、創生した機能を応用することにある。ナノシート表面を拡散する分子がナノスケールの構造体を作り電荷移動するメカニズム、100‐500個のほぼ孤立したスピンが近接相互作用する分子磁性の解明は新しい研究分野である。小さなサイズが生み出す大きなゆらぎに対抗して磁気秩序やスピン相関が生まれるメカニズムを探求する萌芽研究である。また、単純な構成であるため、ゆらぎとサイズに起因した機能発現の関係性を調べるモデルシステムでもある。実験面では、表面化学反応によってナノシート上にフェロセン誘導体分子の集合体を自己組織的に成長させ、構造、形状、低次元磁性の関係性を調べること、理論面では、マルコフ連鎖モンテカルロ計算法を用いて実験結果と類似したＦｅイオン配置での磁気エネルギーや個々のスピン配向を計算して、理論と実験の両面から基礎特性の解明を続けている。孤立した状態では常磁性であるフェロセンユニットが局所的に集まってナノクラスターを形成すると酸化物ナノシートとの間で電荷移動が起こり、鉄のイオン価が＋２から＋３へと変化する。このFeイオンの磁気状態をメスバウワー分光や透磁率の測定結果から解明した。３ｄ電子は高スピン状態(S=5/2)になっている。ナノクラスター内で分子は近接して規則正しく並んでいるため、Ｆｅイオン間に強い磁気双極子相互作用が存在し、スピン相関や遅いスピンダイナミクスなどの新しい機能を生みだしている。表面化学反応による自己組織化成長法をさらに進展させて、分子間の距離や形状を変えたナノクラスターを作成した。これらのナノクラスターでは形状や分子間距離の変化によって制御された機能が現れる。