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分数量子ホール液体と核スピンの相互作用を解明東北大学,国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS) 研究グループ

 東北大学と国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)の研究グループは,半導体を構成する原子核のもつスピン(核スピン)の偏極状態や緩和時間を高い空間分解能で撮像することに成功したと発表した。
 磁場中に置かれた核スピンがラジオ波帯の電磁波と相互作用する現象である核磁気共鳴(NMR)を基本原理とする磁気イメージング法(MRI)は,対象となる試料を破壊せずに内部の三次元画像を取得することができるため,病院などの医療現場で病巣の撮像に利用されている。通常のMRIは一般的に感度が低く,mm以下の微小領域を撮像するのは不向きなため,半導体ナノ構造の核スピンを探索するために,同グループは,走査型偏光選択蛍光分光顕微鏡とNMR技術を組み合わせ,光の波長限界程度の空間分解能をもつMRIを中心とする複数の核スピン測定技術を開発した。この光検出MRIは,測定対象となる半導体の試料(半導体ナノ構造)に光を照射した際に試料から放出される蛍光の強度が,核スピンの状態によってわずかに変化することを利用し,その発光のわずかな変化の空間的な違いを可視化する技術である。
 これまで分数量子ホール状態にある電子が完全強磁性相と非磁性相の間で相転移を起こす状態にある電子は核スピンと強く相互作用することが知られているが,メカニズムについては解明されていなかったところ,今回,光検出NMRやその派生技術を駆使することにより,完全強磁性相と非磁性相という2つの異なる分数量子ホール液体が縞状の空間パターン(磁区構造)を形成し,その境界で核スピンと強く相互作用することを見出した。
 今後,核スピンに関連する半導体スピントロニクスや量子デバイスの分野の研究で利用することが期待される。

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