スピン偏極STMで探る層状反強磁性体のスピンフラストレーション

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Cr(001)薄膜ではらせん転位密度がバルクCr(001)表面の100倍以上あるため、多彩なスピンフラストレーション（SF）が観察される可能性がある。本年度はこれまで磁気像観察が困難であった１０原子層厚(1.5nm）Cr(001)薄膜のスピン偏極ＳＴＭ像観察に挑戦した。１０原子層厚Cr(001)薄膜はAu(001)清浄表面上に室温でCr蒸着後、520K熱処理することにより、原子レベルで平坦なテラスを有する高品位なエピタキシャルCr(001)薄膜を作成し、スピン偏極STM観察は超高真空下・室温でFe/W探針を用いて行った。スピン偏極STM観察では形状像と磁気像を同じ場所で同時に観察することができる。形状像から、原子レベルで平坦なテラス、単原子ステップ、らせん転位などが明瞭に観察された。磁気像では(a)１原子層異なるごとに磁化方向が反転する層状反強磁性に加え(b)２個のらせん転位間、(c)３個のらせん転位を結ぶ領域でSFが観測された。b)とc）の結果は、両者ともにこれまでに観測されたらせん転位に伴う層状反強磁性特有のスピンフラストレーションである。これまで膜厚3 nm以上のCr(001)薄膜で、層状反強磁性が室温で観測されているが、10原子層厚であっても室温で依然として層状反強磁性が観測された。さらに(ｄ)これまでCr(001)薄膜で観測されたことのない b)とc）とは大きく異なるSFが観測された。観測された形状像と磁気像を詳細に調べた結果、新たに観測されたSFは“隣接する２組のらせん転位による量子化軸が９０度回転した反強磁性磁区の形成とらせん転位近傍に限定されないSF”であることが分かった。観察された磁気像のSFが、隣接する２組のらせん転位による起因することを実証するためマイクロマグネティック・シミュレーションによる磁区構造の検証も行った。