単一原子操作による元素種識別への環境効果

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走査トンネル顕微鏡(STM）は鋭い探針をトンネル電流が流れる 1nm 以下まで観察対象に近づけて走査することで、原子分解能像を得ることができる強力な顕微鏡である。さらに、探針で対象を“触る”ことで原子を一つ一つ動かす原子操作が可能な点が他の顕微鏡にない特徴である。特に、原子操作によって 2 つの基底状態の間で変形するものは原子スイッチと呼ばれ 100 以上の報告例がある。一方で、電流を検出するSTM とは対をなす顕微鏡として力を検出する原子間力顕微鏡（AFM）がある。近年 AFM により、単一分子の分子骨格が画像化されるなど進展が著しい。研究代表者らは、世界初の室温での分子骨格画像化に成功した。また、4 つの Si 原子が傾いて結合したSi4原子スイッチを作製し、世界で初めてSTMのトンネル電流と AFM の化学結合力の両方で同時に原子スイッチさせることに成功した。AFMによって測定される力の距離依存性はフォースカーブとよばれ、元素種に依存している。この性質を利用した元素識別は世界最高レベルの成果をあげている。本研究計画の最終目的は「原子操作による周辺の化学環境を変え、元素識別への影響を定量化すること」である。【装置開発１】本研究計画では、原子や分子を精密に動かす原子操作、および力の距離依存性を測定する高精度なフォースカーブ測定による元素識別の二つが基幹技術となる。そのために、最新型の超高真空極低温型の原子間力顕微鏡を導入する。そのベースとなる極低温型超高真空走査トンネル顕微鏡の室温での導入が完了した。具体的には、真空ポンプ等の超高真空装置をくみ上げ、電流や電圧などの配線を完備し、STMのコントローラーをつなぎ合わせ、実際にナノスケールの像を得ることに成功した。さらに、実験装置全てを極低温での実験環境が整っている他大学に移設し、再びSTMを再立ち上げするところまで成功した。