JP3532744B2 - Control method of electron spin state on sample surface using scanning tunneling microscope and bit readout method thereof - Google Patents

Control method of electron spin state on sample surface using scanning tunneling microscope and bit readout method thereof

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JP3532744B2
JP3532744B2 JP25220097A JP25220097A JP3532744B2 JP 3532744 B2 JP3532744 B2 JP 3532744B2 JP 25220097 A JP25220097 A JP 25220097A JP 25220097 A JP25220097 A JP 25220097A JP 3532744 B2 JP3532744 B2 JP 3532744B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル顕
微鏡を用いたサンプル表面の電子スピン状態の制御方法
及びそのビット読み出し方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling an electron spin state on a sample surface using a scanning tunneling microscope and a bit reading method therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、スピン間の相互作用は、スピンの
多重度として、STM探針とサンプルが接近したときに
形成される分子軌道におけるスピン状態を厳密に決定す
ることが量子力学的原理として知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, the interaction between spins is a quantum mechanical principle in which the spin state in a molecular orbital formed when an STM tip and a sample approach each other is strictly determined as the spin multiplicity. Are known.

【0003】すなわち、スピン状態を含めてサンプル表
面の電子状態を決定するには、サンプル表面のクラスタ
ー模型を作製し、現在広く使用されている分子軌道法を
導入する方法がある。
That is, in order to determine the electronic state of the sample surface including the spin state, there is a method of producing a cluster model of the sample surface and introducing a molecular orbital method which is widely used at present.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】また、原子構造まで含
めた固体の電子論は、従来のバンド理論や分子軌道法に
代表されるが、その計算規模は電子数の3から4乗に比
例して増大するために、データ処理量は膨大にならざる
を得ない。実際、ナノスケールのデバイスには現状の計
算限界以上の原子数が含まれることが予想されるため、
その性質を予測・制御できるだけの信頼性を有する計算
は極めて難しい。
The electronic theory of solids including the atomic structure is represented by the conventional band theory and molecular orbital method, but the calculation scale is proportional to the third to fourth power of the number of electrons. As a result, the amount of data processing must be enormous. In fact, nanoscale devices are expected to contain more atoms than current computational limits, so
It is extremely difficult to make calculations that are reliable enough to predict and control their properties.

【0005】本発明は、上記状況に鑑みて、一歩進め
て、物質表面のスピンをメモリの最小ビットとして使用
することに着目し、走査型トンネル顕微鏡を用いたサ
ンプル表面の電子スピン状態の制御方法及びそのビット
読み出し方法を提供することを目的とする。
[0005] The present invention is, in view of the above circumstances, proceed one step, it focused on the use of spin material surface as the minimum bit memory, the electronic spin state of the sample surface using a scanning tunneling microscope It is an object to provide a control method and a bit reading method thereof.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔〕走査型トンネル顕微鏡を用いたサンプル表面の電
子スピン状態の制御方法において、走査型トンネル顕微
鏡探針の尖端にスピン状態が良く知られた分子を吸着さ
せ、サンプル表面構造単位に近づけ、正イオン化したサ
ンプル表面構造単位に電子を前記探針からトンネルさ
せ、前記探針上の吸着分子との相互作用により、前記電
子を前記サンプル表面構造単位上の何れかの軌道に入
れ、スピン多重度の違いによる前記サンプル表面構造単
位のビット化を行うようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides [ 1 ] a method for controlling an electron spin state of a sample surface using a scanning tunneling microscope, which comprises a tip of a scanning tunneling microscope probe. Adsorb a molecule whose spin state is well known, bring it close to the sample surface structural unit, tunnel electrons to the positively ionized sample surface structural unit from the probe, and by interaction with the adsorbed molecule on the probe, The electrons are put into any orbits on the sample surface structure unit, and the sample surface structure unit is converted into bits by the difference in spin multiplicity.

【0007】〔〕走査型トンネル顕微鏡を用いたサン
プル表面の電子スピン状態のビット読み出し方法におい
て、走査型トンネル顕微鏡探針の尖端にスピン状態が良
く知られた分子を吸着させ、サンプル表面構造単位に近
づけ、正イオン化したサンプル表面構造単位に電子を前
記探針からトンネルさせ、前記探針上の吸着分子との相
互作用により、前記電子を前記サンプル表面構造単位上
の何れかの軌道に入れ、スピン多重度の違いによるサン
プル表面構造単位のビット化を行い、このビット化され
たサンプル表面を走査型トンネル顕微鏡探針で走査し、
スピン状態の相違により、ビットの読み出しを行うよう
にしたものである。
[ 2 ] In a method of reading a bit of an electron spin state on a sample surface using a scanning tunneling microscope, a molecule having a well-known spin state is adsorbed on the tip of a scanning tunneling microscope probe to form a sample surface structural unit. , Tunneling electrons to the positively ionized sample surface structure unit from the probe, and by interaction with adsorbed molecules on the probe, put the electron into any orbit on the sample surface structure unit, The sample surface structure unit is bit-formed by the difference in spin multiplicity, and the sample surface bit-ized is scanned with a scanning tunneling microscope probe,
Bits are read out depending on the difference in spin states.

【0008】本発明によれば、上記したように、サンプ
ル表面に付着したサンプル分子の多重度を、走査型トン
ネル顕微鏡の探針とサンプル間で電子や原子のやり取り
を行うことにより制御する。分子の多重度は一旦決定す
ると、励起しても変化せず、安定したスピン状態を保持
する。ここで異なる多重度を持つ分子はその電子状態が
異なり、したがって、他の分子(物質)を近づけた時、
両者の形成する分子間ポテンシャルは多重度により変化
する。
According to the present invention, as described above, the multiplicity of sample molecules attached to the sample surface is controlled by exchanging electrons and atoms between the probe of the scanning tunneling microscope and the sample. Once the multiplicity of a molecule is determined, it does not change even when excited and maintains a stable spin state. Here, molecules with different multiplicities have different electronic states, so when other molecules (substances) are brought closer,
The intermolecular potential formed by both changes depending on the multiplicity.

【0009】この性質を利用して、原子間力顕微鏡の探
針でサンプル物質を観測する時、多重度の違いにより探
針にかかる力の違いが生ずる。この走査型トンネル顕微
鏡によるサンプル表面状態の変化と原子間力顕微鏡によ
る観測を使うことにより、サンプル表面に多重度の制御
を行うことができる。
Utilizing this property, when observing a sample substance with a probe of an atomic force microscope, a difference in force applied to the probe occurs due to a difference in multiplicity. It is possible to control the multiplicity on the sample surface by using the change of the sample surface state by the scanning tunneling microscope and the observation by the atomic force microscope.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0011】図1は本発明に係るSTMの概略図と動作
原理を説明する図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an STM according to the present invention and a diagram for explaining the operation principle.

【0012】この図において、1はサンプル(物質)表
面、2はSTM探針、5はXピエゾ(X軸駆動圧電素
子)、6はYピエゾ(Y軸駆動圧電素子)、7はZピエ
ゾ(Z軸駆動圧電素子)である。
In this figure, 1 is a sample (substance) surface, 2 is an STM probe, 5 is an X piezo (X axis drive piezoelectric element), 6 is a Y piezo (Y axis drive piezoelectric element), and 7 is a Z piezo ( Z-axis driving piezoelectric element).

【0013】なお、STMとは、物質表面に鋭い探針を
近づけ、探針−物質表面間に電界を与え、その時流れる
電流を一定に保つように、物質表面を走査することによ
り、物質表面の構造を観測する装置である。
The STM is a method in which a sharp probe is brought close to the material surface, an electric field is applied between the probe and the material surface, and the material surface is scanned so that the current flowing at that time is kept constant. It is a device for observing the structure.

【0014】物質表面1の走査は、STM探針2をx,
y,zの三方向から支える支持棒に分子(ピエゾエレク
トリックな特性を持った物質)を用いて、電界を与える
ことにより、それぞれの方向に微小に移動することがで
きる。この時、STM探針2、物質表面1が共に原子に
よって構成されていることを考慮すれば、STM探針2
−物質表面1間では、原子スケールにおける電子同士の
相互作用が起こることになる。換言すれば、STM探針
2で物質表面1の構造を観測することは、点字をなぞる
ように部分部分の高低をSTM探針2で検出し、全体像
をコンピュータにより、再現することになる。
The scanning of the material surface 1 is performed by scanning the STM probe 2 with x,
By using a molecule (a substance having piezoelectric properties) as a support rod that supports from three directions of y and z, and applying an electric field, it is possible to move minutely in each direction. At this time, considering that both the STM probe 2 and the material surface 1 are composed of atoms, the STM probe 2
-In the material surface 1, interaction between electrons on the atomic scale occurs. In other words, observing the structure of the material surface 1 with the STM probe 2 means that the height of a partial portion is detected by the STM probe 2 like tracing Braille, and the entire image is reproduced by a computer.

【0015】まず、分子軌道と電子のスピンの関係につ
いて説明する。
First, the relationship between the molecular orbital and the electron spin will be described.

【0016】ここでは、例えば、サンプル(物質)には
シリコン面〔Si(111)〕と、その表面に吸着した
水素原子を想定しており、また、STM探針2にはアル
ミニウムを想定している。アルミニウムは原子ではない
が、探針2が原子スケールで尖鋭化しており、探針尖端
では分子的に振る舞うため、これを使用した。なお、こ
れらの組合せは、他の元素の組合せにおいても広く応用
可能である。
Here, for example, the sample (substance) is assumed to be a silicon surface [Si (111)] and hydrogen atoms adsorbed on the surface, and the STM probe 2 is assumed to be aluminum. There is. Aluminum is not an atom, but the probe 2 is sharpened on an atomic scale, and since it behaves molecularly at the tip of the probe, it was used. Note that these combinations can be widely applied to combinations of other elements.

【0017】スピン状態を含めて物質表面の電子状態を
決定するには、物質表面のクラスター模型を作製し、現
在広く使用されている分子軌道法を導入する手法があ
る。例えば、シリコン表面と、表面近傍のSTM探針
(Al)及び表面吸着原子(H)を一つのクラスター模
型として作製すると、系のスピン多重度によって物質表
面とSTM探針の間において、表面吸着原子のポテンシ
ャル・エネルギー面が著しく異なることが、図4及び図
5に示すように明らかになった。
In order to determine the electronic state of the material surface including the spin state, there is a method of preparing a cluster model of the material surface and introducing the molecular orbital method which is widely used at present. For example, when the silicon surface, the STM probe (Al) near the surface, and the surface adsorbed atom (H) are produced as one cluster model, the surface adsorbed atom between the material surface and the STM probe is caused by the spin multiplicity of the system. It has been revealed that the potential energy surfaces of the are significantly different, as shown in FIGS. 4 and 5.

【0018】このことから物質表面に異なるスピン多重
度を持つ領域を作製し、従来、電界パルスとコンタクト
だけに頼っていたアトム・マニュピュレーションの手法
に、スピン制御が加わり、磁界や光を利用することがで
きるようになる。
For this reason, regions having different spin multiplicities were formed on the surface of the material, and spin control was added to the atom manipulation method, which conventionally relied only on electric field pulses and contacts, to utilize magnetic fields and light. You will be able to.

【0019】次に、物質表面の電子スピン状態の制御に
ついて説明する。
Next, the control of the electron spin state on the material surface will be described.

【0020】物質表面に、STM探針を用いて原子スケ
ールの構造を作製することができる。物質表面が絶縁体
であってもAFM(原子間力顕微鏡)探針を用いて同様
の操作をすることができることが知られている。同じ構
造を物質表面に作製して、安定状態を現出させても、系
全体としての電子状態は物質を構成する電子数と電子の
スピン多重度によって大きく異なることが知られてい
る。
An atomic scale structure can be formed on the surface of a substance by using an STM probe. It is known that the same operation can be performed using an AFM (atomic force microscope) probe even if the material surface is an insulator. It is known that even if the same structure is formed on the surface of a substance and a stable state is revealed, the electronic state of the entire system greatly differs depending on the number of electrons constituting the substance and the spin multiplicity of electrons.

【0021】したがって、このような表面構造の電子数
とスピン多重度を制御することができれば、この表面構
造を単位として配列させることにより、物質表面の電子
状態を安定にビット化することが可能である。
Therefore, if it is possible to control the number of electrons and the spin multiplicity of such a surface structure, it is possible to stably convert the electronic state of the material surface into bits by arranging the surface structure as a unit. is there.

【0022】(1)まず、本発明の電子数の違いによる
表面構造単位のビット化について説明する。
(1) First, the bit formation of the surface structure unit according to the present invention due to the difference in the number of electrons will be described.

【0023】物質表面構造単位の電子数を制御すること
は、STM探針を物質表面構造単位に近づけ、物質表面
を正にバイアスしてSTM探針の素材のイオン化エネル
ギー以上の電界を与えることにより、電子をSTM探針
から物質表面へ放出することが可能と考えられる。ここ
で、アルミニウムを探針の素材とした場合に、イオン
化エネルギーは、6.0eVである。
The control of the number of electrons in the material surface structural unit is performed by bringing the STM probe close to the material surface structural unit, positively biasing the material surface, and applying an electric field higher than the ionization energy of the material of the STM probe. It is considered that electrons can be emitted from the STM probe to the material surface. Here, when aluminum and probe of a material, the ionization energy is 6.0 eV.

【0024】同様に物質表面を負にバイアスして物質表
面構造単位のイオン化エネルギー以上の電界を与えるこ
とにより、電子を物質表面からSTM探針に放出するこ
とが可能となる。
Similarly, by negatively biasing the material surface and applying an electric field higher than the ionization energy of the material surface structural unit, electrons can be emitted from the material surface to the STM probe.

【0025】このようにして、図2(a)に示すよう
に、物質表面構造単位を負に帯電させたり、正に帯電さ
せたりすることが可能となる。ただし、STM探針2を
近づけ過ぎると、図2(b)に示すように、STM探針
2−物質表面1間にトンネル電流が流れ、局在した電子
状態を変えることができない。また、図2(c)に示す
ように、STM探針2が遠すぎると、近傍の他の構造単
位と探針の間に電子のやり取りが起きてしまう。
In this way, as shown in FIG. 2 (a), the substance surface structural unit can be negatively charged or positively charged. However, if the STM probe 2 is brought too close, a tunnel current flows between the STM probe 2 and the material surface 1 as shown in FIG. 2B, and the localized electronic state cannot be changed. Further, as shown in FIG. 2C, when the STM probe 2 is too far away, electrons are exchanged between the other structural units in the vicinity and the probe.

【0026】すなわち、図2(b)に示すように、ST
M探針2が物質表面1に近づき過ぎると、STM探針2
尖端から大きな電子が流れる。つまり、電子が自由に流
れてしまうため、物質表面1とSTM探針2両者の表面
の軌道への電子の出入りが連続して起こり、物質表面1
の電子状態はSTM探針2−物質表面1間の僅かの変化
に対して変動してしまう。
That is, as shown in FIG.
If the M probe 2 gets too close to the material surface 1, the STM probe 2
Large electrons flow from the tip. That is, since electrons freely flow, electrons continuously enter and leave the orbits of both the surface of the material 1 and the STM probe 2, and the surface of the material 1
The electronic state of 1 changes with a slight change between the STM probe 2 and the material surface 1.

【0027】また、図2(c)に示すように、STM探
針2が物質表面1と離れ過ぎると、電子は物質表面1の
広い範囲と相互作用して、吸着水素原子のみと電子のや
りとりをするとは限らない。
Further, as shown in FIG. 2 (c), when the STM probe 2 is too far away from the material surface 1, the electrons interact with a wide range of the material surface 1 and only the adsorbed hydrogen atoms interact with the electrons. It doesn't always work.

【0028】さらに、物質表面と物質表面構造単位の間
には探針−物質表面間のトンネル電流の閾値以上の障壁
があることが必要である。
Further, it is necessary that there is a barrier between the surface of the substance and the structural unit of the substance surface which is equal to or greater than the threshold value of the tunnel current between the probe and the surface of the substance.

【0029】(2)次に、スピン多重度の違いによる物
質表面構造単位のビット化について説明する。
(2) Next, bit formation of the material surface structure unit due to the difference in spin multiplicity will be described.

【0030】図3は本発明の実施例を示す正イオン化し
た物質表面構造単位に電子1個を与える場合の説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory view showing a case where one electron is given to the positive ionized substance surface structural unit according to the embodiment of the present invention.

【0031】物質表面構造単位(物質表面)には、図3
の上段の3つの電子状態があり得る。ここから電子を1
個取り去り、表面を正に帯電させる。
The material surface structural unit (material surface) is shown in FIG.
There can be three electronic states in the upper row. 1 electron from here
Remove the pieces and charge the surface positively.

【0032】そして、図3の中段の3つの電子状態を持
つ正イオン化した表面構造単位にSTM探針からup
(アップ)スピンの状態にある電子を与えると、図3の
下段の場合が生じる。この時、物質表面は電気的に中性
に戻る。より、具体的には、 (a)左側上段の電子状態にある場合、upのスピンを
持った電子を取り去ると、その中段のような電子状態と
なり、この状態からupのスピンを持った電子を与える
と、その下段に示すような電子状態(左側上段と同様な
電子状態)になる。ここでは、HOMO(Highes
t Occupied Molecular Orbi
tal:最高占有分子軌道)の電子スピンはupであ
り、系全体のスピン状態は、low spin sta
te(低スピン状態)となる。
Then, the STM probe is added to the positively ionized surface structural unit having three electronic states in the middle of FIG.
When electrons in the (up) spin state are given, the case in the lower part of FIG. 3 occurs. At this time, the material surface electrically returns to neutral. More specifically, (a) in the upper left electronic state, if an electron with up spin is removed, an electron state like the middle one is obtained, and from this state, an electron with up spin is removed. When given, the electronic state shown in the lower row (the electronic state similar to the upper left row) is obtained. Here, HOMO (Highes
t Occupied Molecular Orbi
The electron spin of (tal: highest occupied molecular orbital) is up, and the spin state of the entire system is low spin Sta.
te (low spin state).

【0033】(b)中央上段の電子状態にある場合、d
own(ダウン)のスピンを持った電子を取り去ると、
前記した左側中段のような電子状態となる。
(B) In the electronic state at the upper center, d
When you remove an electron with a down (down) spin,
The electronic state is as shown in the middle section on the left side.

【0034】(c)右側上段の電子状態にある場合、d
ownのスピンを持った電子を取り去ると、中央中段の
ような電子状態となり、この状態からupのスピンを持
った電子を与えると、その下段のような電子状態(右側
上段と同様な電子状態)になる。ここでは、HOMOの
軌道は閉殻し、系全体のスピン状態は、low spi
n stateとなる。
(C) When in the upper right electronic state, d
When an electron with an own spin is removed, it becomes an electronic state as in the middle middle stage, and when an electron with an up spin is given from this state, an electronic state as in the lower stage (an electronic state similar to the upper right side) become. Here, the orbit of HOMO is closed shell, and the spin state of the whole system is low spi
n state.

【0035】また、右側上段の電子状態にある場合、u
pのスピンを持った電子を取り去ると、その中段のよう
な電子状態となり、更に、upのスピンを持った電子を
与えると、その下段のような電子状態となる。
When in the upper right electronic state, u
When an electron having a spin of p is removed, it becomes an electronic state as in the middle stage, and when an electron having a spin of up is given, the electronic state becomes as in the lower stage.

【0036】ここでは、HOMOの原子スピンは、do
wnであり、系全体のスピン状態はhigh spin
state(高スピン状態)となる。
Here, the atomic spin of HOMO is do
wn, and the spin state of the entire system is high spin.
It becomes a state (high spin state).

【0037】以下、上記を整理して説明すると、STM
探針尖端にスピン状態が良く知られた分子を吸着させ、
上記(a)のプロセスで正イオン化した物質表面構造単
位に、電子をSTM探針からトンネルさせる。このとき
電子が物質表面構造単位上のどの軌道に入るかはSTM
探針上の吸着分子との相互作用による。
The above will be summarized and explained below. STM
Adsorb molecules with a well-known spin state to the tip of the probe,
Electrons are tunneled from the STM probe to the material surface structure unit that has been positively ionized in the above process (a). At this time, the STM determines which orbit the electron enters on the structural unit of the material surface.
Due to the interaction with the adsorbed molecules on the probe.

【0038】その相互作用のプロセスを場合分けする
と、下記の表1に示すようになる。ただし、STM探針
上に吸着した分子はHOMOにup状態のスピンを持っ
た電子を持ち易いものを選んだとする。最初は電気的に
中性であった物質表面構造単位はスピン状態としてlo
w spin stateかhigh spin st
ateのいずれかの状態にあるが、今、正イオン化した
ことにより、スピン状態は変化している。このときのH
OMOのスピン状態は、電子が一個であれば、upかd
ownのいずれかをとり、電子が二個であれば、HOM
Oは閉殻となる。このHOMOに、今、STM探針から
電子を与える。
The interaction process is divided into cases as shown in Table 1 below. However, it is assumed that the molecule adsorbed on the STM probe is selected so that the HOMO easily has electrons having spin in the up state. The initially electrically neutral material surface structural unit has a spin state of lo
w spin state or high spin st
Although it is in one of the states of ate, the spin state has changed due to positive ionization. H at this time
The spin state of OMO is up or d if there is one electron.
If one of the two is taken and there are two electrons, then HOM
O becomes a closed shell. An electron is now given to this HOMO from the STM probe.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】最初のスピン状態がlow spin s
tateである場合は、STM探針にup状態を取り易
い分子を吸着させ、上記のプロセスを実行することによ
り、lowからhighにスピン状態を変えることがで
きる。同様に最初のスピン状態がhigh spin
stateである場合は、STM探針にdown状態を
取り易い分子を吸着させることにより、highからl
owにスピン状態を変えることができる。この操作によ
り、物質表面構造単位は電気的に中性に戻る。
The first spin state is low spin s
In the case of tate, the spin state can be changed from low to high by adsorbing a molecule that easily takes the up state to the STM probe and executing the above process. Similarly, the first spin state is high spin
In the case of the state, by adsorbing the molecule that easily takes the down state to the STM probe,
The spin state can be changed to ow. By this operation, the substance surface structural unit becomes electrically neutral.

【0041】(3)更に、本発明のビット化された物質
表面構造単位からの情報の読み出しについて説明する。
(3) Further, reading of information from the bit-structured substance surface structural unit of the present invention will be described.

【0042】配列された物質表面構造単位をAFMで走
査するとき、上記(a)のように電子数の差によって電
子状態を変えられた物質表面の場合、物質表面構造単位
が中性の時と異なる引力または斥力が現れることが予想
される。帯電した物質表面構造単位には、より強い引力
が働くことが考えられている。
When the arranged substance surface structural units are scanned by the AFM, in the case of the substance surface whose electronic state is changed by the difference in the number of electrons as in the above (a), it is different from when the substance surface structural units are neutral. It is expected that different attractive or repulsive forces will appear. It is considered that a stronger attractive force acts on the charged material surface structural unit.

【0043】上記(b)のように、多重度が異なる物質
表面構造を配列させてSTM探針で走査するとき、hi
gh spin stateとlow spin st
ateの違いとして、区別される。
As described in (b) above, when the material surface structures having different multiplicities are arranged and scanned by the STM probe, hi is
gh spin state and low spin st
Distinguished as the difference in ate.

【0044】図6は本発明の実施例を示す多重度が異な
る物質表面構造を配列させてSTM探針で走査し、ビッ
トを読み出す方法の説明図(その1)、図7は本発明の
実施例を示す多重度が異なるサンプル表面構造を配列さ
せてSTM探針で走査し、ビットを読み出す方法の説明
図(その2)である。
FIG. 6 is an explanatory view (1) of a method of arranging material surface structures having different multiplicities and scanning with an STM probe to read out a bit, showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an embodiment of the present invention. It is explanatory drawing (the 2) of the method of arranging the sample surface structures from which the multiplicity which shows an example differs, and scanning it with an STM probe, and reading a bit.

【0045】これらの図において、1はサンプル(物
質)表面、2はSTM探針、3はupスピンの状態を取
り易い分子である。
In these figures, 1 is a sample (substance) surface, 2 is an STM probe, and 3 is a molecule that easily takes an up-spin state.

【0046】サンプル表面1の部分AはupスピンをH
OMOに持っているため、STM探針2の尖端に付着す
る分子のupスピンと反発する。このためSTMで観測
するときにはSTM探針2−サンプル表面1間の距離が
大きくなり、したがって、トポグラフ上では高く見え
る。
The portion A of the sample surface 1 has an up spin of H
Since it is in the OMO, it repels the up spin of molecules attached to the tip of the STM probe 2. Therefore, when observed by STM, the distance between the STM probe 2 and the sample surface 1 becomes large, and therefore it looks high on the topography.

【0047】一方、部分BのdownスピンはSTM探
針2上のupスピンを持つ電子と同じ軌道に入ることが
可能なので、STM探針2−サンプル表面1間の距離は
小さくなる。部分CはHOMOが閉殻になっているた
め、STM探針2のスピン状態にトポグラフは依存し難
い。強いて言えば、通常のSTM探針2を用いたSTM
トポグラフに比べて明るい部分はupスピンを持ち、暗
い部分はdownスピンを持ち、通常と変わらない部分
はサンプル表面1の電子状態が閉殻になっていることを
表す。
On the other hand, since the down spin of the portion B can enter the same orbit as the electron having the up spin on the STM probe 2, the distance between the STM probe and the sample surface 1 becomes small. Since the HOMO of the portion C is a closed shell, the topography is unlikely to depend on the spin state of the STM probe 2. STM using normal STM probe 2
The bright part has an up spin, the dark part has a down spin as compared with the topography, and the part which is not different from the normal part shows that the electronic state of the sample surface 1 is a closed shell.

【0048】図6と図7のトポグラフを比較すると、u
pスピンを持つ部分Aではupスピンを持つSTM探針
2は同種スピンの反発から通常のトポグラフより高い位
置を示すことが予想される。一方、部分Bにおいては、
サンプル表面1のdownスピンとSTM探針2のup
スピンが同じ軌道を共有するので、STM探針2−サン
プル表面1間の距離は小さくなる。部分Cにおいては、
STM探針2の軌道電子のスピンとサンプル表面1の軌
道電子との相互作用は部分A,Bに比べて小さい。
Comparing the topographs of FIGS. 6 and 7, u
In the part A having p spin, it is expected that the STM probe 2 having up spin shows a position higher than that of a normal topograph due to repulsion of spin of the same kind. On the other hand, in part B,
Down spin of sample surface 1 and up of STM probe 2
Since the spins share the same orbit, the distance between the STM probe 2 and the sample surface 1 is small. In part C,
The interaction between the spins of the orbital electrons of the STM probe 2 and the orbital electrons of the sample surface 1 is smaller than that in the portions A and B.

【0049】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be achieved.

【0051】(A)物質表面のスピンを、メモリの最小
ビットとして使用することに着目し、走査型トンネル
顕微鏡を用いたサンプル表面の電子スピン状態の制御方
法及びそのビット読み出し方法を提供することができ
る。
[0051] (A) a spin material surface, focused on the use as a minimum bit memory, to provide a control method and a bit reading method of the electron spin state of the sample surface using a scanning tunneling microscope You can

【0052】(B)スピン素子の可能性の一つとして考
えられる原子スケールの論理素子において、量子コンピ
ューティングの信号として電子スピンの状態や多重度を
導入することができる。
(B) In the atomic scale logic element considered as one of the possibilities of the spin element, the state of electron spin and the multiplicity can be introduced as a signal for quantum computing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るSTMの概略図と動作原理を説明
する図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an STM according to the present invention and a diagram for explaining the operation principle.

【図2】本発明に係るSTM探針と物質表面の位置関係
を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a positional relationship between an STM probe and a material surface according to the present invention.

【図3】本発明の実施例を示す正イオン化した物質表面
構造単位に電子一個を与える場合の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram in the case where one electron is given to a positive ionized substance surface structural unit showing an example of the present invention.

【図4】サンプル原子距離とトータルエネルギーの特
性図である。
4 is a characteristic diagram of a sample atomic distance and total energy.

【図5】チップサンプル距離を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a chip sample distance.

【図6】本発明の実施例を示す多重度が異なる物質表面
構造を配列させてSTM探針で走査し、ビットを読み出
す方法の説明図(その1)である。
FIG. 6 is an explanatory view (No. 1) of a method of arranging material surface structures having different multiplicities and scanning with an STM probe to read out bits according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例を示す多重度が異なる物質表面
構造を配列させてSTM探針で走査し、ビットを読み出
す方法の説明図(その2)である。
FIG. 7 is an explanatory view (No. 2) of a method of arranging material surface structures having different multiplicities and scanning with an STM probe to read out a bit according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 サンプル(物質)表面 2 STM探針 3 upスピンの状態を取り易い分子 5 Xピエゾ(X軸駆動圧電素子) 6 Yピエゾ(Y軸駆動圧電素子) 7 Zピエゾ(Z軸駆動圧電素子) 1 Sample (substance) surface 2 STM probe Molecules that easily take the state of 3 up spin 5 X piezo (X axis drive piezoelectric element) 6 Y piezo (Y axis drive piezoelectric element) 7 Z Piezo (Z axis drive piezoelectric element)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−147775(JP,A) 特開 平6−325579(JP,A) 特開 平6−36364(JP,A) 特開 平8−8442(JP,A) 特開 平9−121066(JP,A) 特開 平5−160385(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G11B 9/00 - 9/14 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) Reference JP-A-8-147775 (JP, A) JP-A-6-325579 (JP, A) JP-A-6-36364 (JP, A) JP-A-8- 8442 (JP, A) JP-A-9-121066 (JP, A) JP-A-5-160385 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 13 / 10-13 / 24 G12B 21/00-21/24 G11B 9/00-9/14 JISST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(a)走査型トンネル顕微鏡探針の尖端に
スピン状態が良く知られた分子を吸着させ、サンプル表
面構造単位に近づけ、正イオン化したサンプル表面構造
単位に電子を前記探針からトンネルさせ、 (b)前記探針上の吸着分子との相互作用により、前記
電子を前記サンプル表面構造単位上の何れかの軌道に入
れ、 (c)スピン多重度の違いによる前記サンプル表面構造
単位のビット化を行うことを特徴とする走査型トンネル
顕微鏡を用いたサンプル表面の電子スピン状態の制御方
法。
1. (a) A molecule of which spin state is well known is adsorbed on the tip of a scanning tunneling microscope probe to bring it close to a sample surface structural unit, and an electron is emitted from the probe to the positively ionized sample surface structural unit. Tunneling, (b) causing the electrons to enter any orbit on the sample surface structural unit by interaction with adsorbed molecules on the probe, (c) the sample surface structural unit due to a difference in spin multiplicity A method for controlling the electron spin state on the surface of a sample using a scanning tunneling microscope, which is characterized by performing bit conversion.
【請求項2】(a)走査型トンネル顕微鏡探針の尖端に
スピン状態が良く知られた分子を吸着させ、サンプル表
面構造単位に近づけ、正イオン化したサンプル表面構造
単位に電子を前記探針からトンネルさせ、 (b)前記探針上の吸着分子との相互作用により、前記
電子を前記サンプル表面構造単位上の何れかの軌道に入
れ、 (c)スピン多重度の違いによる前記サンプル表面構造
単位のビット化を行い、 (d)該ビット化されたサンプル表面を走査型トンネル
顕微鏡探針で走査し、スピン状態の相違により、ビット
の読み出しを行うことを特徴とするビット読み出し方
法。
2. (a) A molecule of which spin state is well known is adsorbed on the tip of a scanning tunneling microscope probe to bring it close to the sample surface structural unit, and electrons are emitted from the probe to the positively ionized sample surface structural unit. Tunneling, (b) causing the electrons to enter any orbit on the sample surface structural unit by interaction with adsorbed molecules on the probe, (c) the sample surface structural unit due to a difference in spin multiplicity And (d) scanning the surface of the sample that has been converted into a bit with a scanning tunneling microscope probe, and reading the bit according to the difference in spin state.
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