JP4413066B2 - 電荷密度波量子位相顕微鏡及び電荷密度波量子干渉計 - Google Patents
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Description
この発明は、電荷密度波量子位相顕微鏡及び電荷密度波量子干渉計に関し、例えば、電荷密度波ナノ構造体を用いた新規なデバイスの作製や生体高分子の構造決定などに用いて好適なものである。
金属などの導体中の伝導電子が巨視的な量子コヒーレント状態になるのは、超伝導、電荷密度波（ＣＤＷ）、量子ホール液体の３例しかない。外部からの操作なしでは前２者であるといっても過言ではない。特に、ＣＤＷ体は室温で相転移を示すので、実用上、ＣＤＷ巨視的量子位相を利用した素子並びに計測デバイスが半導体テクノロジーを超える潜在性を有しており注目されている。最近、こうした背景の下、ＣＤＷ３端子電界・電流駆動素子、フェムト秒領域のメモリ素子などが考案され、それぞれ新しい量子機能素子として新たな効果が実証されている（例えば、非特許文献１）。
Appl. Phys. Lett. 80, 871(2002)
Appl. Phys. Lett. 80, 871(2002)
ＣＤＷナノ構造体を用いたデバイスの作製にはその評価を行うためのツールが不可欠と考えられるが、本発明者らの知る限り、これまで、有効なツールについての具体的な提案は何らなされていないのが実情である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで電荷密度波ナノ構造体の解析や生体高分子の構造の決定などを高精度で行うことができ、しかも小型に構成することができる電荷密度波量子位相顕微鏡を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで局所的な電場を高精度で測定することができる電荷密度波量子干渉計を提供することにある。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで電荷密度波ナノ構造体の解析や生体高分子の構造の決定などを高精度で行うことができ、しかも小型に構成することができる電荷密度波量子位相顕微鏡を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで局所的な電場を高精度で測定することができる電荷密度波量子干渉計を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために、理論的に設計されたＣＤＷナノ構造体を積極的に物質科学の立場から創製し、これらの物質が外部刺激を受けた際に生ずる電気・弾性・光学的性質の変化を明らかにしながら応用への展開を図ることを考えた。特に、ＣＤＷの巨視的量子位相情報を積極的に活用し、小型で高性能な顕微鏡の開発を目指すこととした。これは、ＣＤＷナノ構造体を用いたデバイスの作製に不可欠なツールであるばかりでなく、ＤＮＡに代表される生体高分子の構造決定や量子位相情報を用いた量子コンピューターの開発などに大きな発展をもたらすものとなり得る。
一方、ＣＤＷは不純物や試料端の影響でピン止めされているが、しきい電場以上の電場を印加するとスライディングを起こし、電気伝導に寄与する。このＣＤＷのスライディングは電子の集団的な並進運動であり、低次元導体に特徴的な現象である。ＣＤＷがピン止めポテンシャル中をスライディングすることにより、ＣＤＷの運ぶ直流電流成分に比例した振動数の交流電流、すなわち狭帯域信号（narrow band signal：ＮＢＳ）（狭帯域雑音（narrow band noise ：ＮＢＮ）とも呼ばれる）が生ずる。すなわち、しきい電場以上の電場を印加したときに流れる過剰電流部分をＪCDW 、上記のＮＢＳの振動数をνNBS とすると、νNBS ∝ＪCDW である。よって、しきい電場の変化はこのＮＢＳの振動数νNBS を測定することにより高精度で測定することが可能である。このしきい電場はＣＤＷ結晶に生ずるわずかな応力によって変化するので、ＣＤＷの針に電極を付けてＮＢＳを測定するだけで、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を越える機能を持つ高精度な顕微鏡を作ることができる。例えば、長さが１００ｎｍの針状ＣＤＷ結晶を用いれば、周波数計の感度が１Ｈｚとして、１ｐｍの分解能を持つ顕微鏡の実現が可能である。また、例えばＡＦＭにおいてカンチレバーの探針の変位はカンチレバーにレーザー光を照射することにより検出しているが、このＣＤＷ顕微鏡では、そのような光学系が不要となるため、非常に小型の構成とすることができる。このため、例えば、注射針のように生体に直接導入できるという大きな利点を持つ。
また、高純度で微小なＣＤＷ針状結晶では、試料の両端でのピン止め力が強め合うか弱め合うかは、ＣＤＷの波長λCDW と試料の長さとの兼ね合いで決まる。ＣＤＷ針状結晶へのゲート電圧の印加による波長λCDW の変化とともにしきい電場は振動する。これは超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）とまったく同様な振る舞いであり、電圧を測定する一種の量子干渉計となる。このしきい電場の変化をＮＢＳの測定によって検出することにより、局所的な電場（電荷）を測定する高精度な顕微鏡を作ることが可能である。
この発明は、上記の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
電荷密度波結晶からなる探針を用いたことを特徴とする電荷密度波量子位相顕微鏡である。
この第１の発明では、典型的には、電荷密度波結晶からなる探針を試料に接触させたときのその電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号（ＮＢＳ）の振動数を測定することにより測定する。
あるいは、探針を試料に接近させたときにそれらの間に生ずる電荷密度波トンネリングを利用して試料の電荷密度波状態を測定することもできる。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
電荷密度波結晶からなる探針を用いたことを特徴とする電荷密度波量子位相顕微鏡である。
この第１の発明では、典型的には、電荷密度波結晶からなる探針を試料に接触させたときのその電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号（ＮＢＳ）の振動数を測定することにより測定する。
あるいは、探針を試料に接近させたときにそれらの間に生ずる電荷密度波トンネリングを利用して試料の電荷密度波状態を測定することもできる。
第２の発明は、
電荷密度波結晶からなる針状結晶を用いたことを特徴とする電荷密度波量子干渉計である。
この第２の発明では、典型的には、針状結晶の側面にゲート電圧を印加したときの電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより測定する。
電荷密度波結晶からなる針状結晶を用いたことを特徴とする電荷密度波量子干渉計である。
この第２の発明では、典型的には、針状結晶の側面にゲート電圧を印加したときの電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより測定する。
第１及び第２の発明において、電荷密度波結晶としては、基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、ＭＸp （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、１．８≦ｐ≦２．２）、ＭＸq （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、２．７≦ｑ≦３．３）またはＭＸr （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、３．６≦ｒ≦４．４）からなるものが用いられる。ＭＸp の具体例を挙げるとＴａＳｅ2 やＴａＳ2 、ＭＸq の具体例を挙げるとＮｂＳｅ3 やＮｂＳ3 、ＭＸr の具体例を挙げるとＮｂＴｅ4 などである。
電荷密度波結晶は、典型的には針状結晶からなる。電荷密度波結晶あるいは針状結晶には、ナノチューブのような管状晶も含まれ、また、単結晶だけでなく、多結晶であってもよい。
電荷密度波結晶は、典型的には針状結晶からなる。電荷密度波結晶あるいは針状結晶には、ナノチューブのような管状晶も含まれ、また、単結晶だけでなく、多結晶であってもよい。
上述のように構成された第１の発明においては、電荷密度波結晶からなる探針を試料の表面に接触させたとき、探針に応力が生ずることによる電荷密度波のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより高精度で測定することができる。あるいは、探針を試料の表面に接近させたとき、それらの間に生ずる電荷密度波トンネリングを利用して試料の電荷密度波状態を測定することができる。また、ＡＦＭで必要な探針の変位の検出のための光学系が不要である。
また、第２の発明においては、電荷密度波結晶からなる針状結晶にゲート電圧を印加したときに生ずる電荷密度波のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより高精度で測定することができる。
また、第２の発明においては、電荷密度波結晶からなる針状結晶にゲート電圧を印加したときに生ずる電荷密度波のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより高精度で測定することができる。
この発明によれば、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで電荷密度波ナノ構造体の解析や生体高分子の構造の決定などを高精度で行うことができ、しかも小型に構成することができる電荷密度波量子位相顕微鏡を実現することができる。
また、この発明によれば、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで局所的な電場を高精度で測定することができる電荷密度波量子干渉計を実現することができる。
また、この発明によれば、電荷密度波の巨視的量子位相情報を積極的に活用することで局所的な電場を高精度で測定することができる電荷密度波量子干渉計を実現することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＣＤＷ量子位相顕微鏡を示す。
図１に示すように、このＣＤＷ量子位相顕微鏡においては、一般的な走査プローブ顕微鏡と同様な圧電制御装置１１の下部にＣＤＷ針状結晶からなる探針１２が取り付けられており、圧電制御装置１１によりこの探針１２をｘ、ｙ、ｚ方向に三次元的に走査することができるようになっている。図２に示すように、探針１２には電極１３、１４が設けられており、これらの電極１３、１４の間に電源１５及び周波数計１６を含む外部回路が接続されている。そして、周波数計１６により、ＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＣＤＷ量子位相顕微鏡を示す。
図１に示すように、このＣＤＷ量子位相顕微鏡においては、一般的な走査プローブ顕微鏡と同様な圧電制御装置１１の下部にＣＤＷ針状結晶からなる探針１２が取り付けられており、圧電制御装置１１によりこの探針１２をｘ、ｙ、ｚ方向に三次元的に走査することができるようになっている。図２に示すように、探針１２には電極１３、１４が設けられており、これらの電極１３、１４の間に電源１５及び周波数計１６を含む外部回路が接続されている。そして、周波数計１６により、ＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
次に、このＣＤＷ量子位相顕微鏡の使用方法を説明する。ここでは、一例としてＣＤＷナノ構造体からなる試料を用いる場合を考える。
図１に示すように、ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針１２を接触させ、走査する。探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２の先端が変位し、それによって探針１２に応力が生ずる。この応力により、探針１２のしきい電場が変化し、それにより探針１２を流れるＮＢＳの振動数が変化する。そして、このＮＢＳの振動数の変化が表面像に変換される。表面像への変換、言い換えると物体の表面形状等の可視化には、例えば、周波数−電圧（電流）変換器の出力の可視化、あるいはフィードバックを構成する制御信号の可視化がある。
図１に示すように、ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針１２を接触させ、走査する。探針１２が試料１７の表面に接触すると、探針１２の先端が変位し、それによって探針１２に応力が生ずる。この応力により、探針１２のしきい電場が変化し、それにより探針１２を流れるＮＢＳの振動数が変化する。そして、このＮＢＳの振動数の変化が表面像に変換される。表面像への変換、言い換えると物体の表面形状等の可視化には、例えば、周波数−電圧（電流）変換器の出力の可視化、あるいはフィードバックを構成する制御信号の可視化がある。
もう一つの使用方法を説明する。
図３に、試料１７のＣＤＷ状態におけるイオンの配置及びＣＤＷ（電荷密度ρ（ｘ））と探針１２のイオンの配置及びＣＤＷとを示す。ρ（ｘ）は次式で表される。
ρ（ｘ）＝ρ0 ＋ρ1 ｃｏｓ（Ｑｘ＋φ）
ただし、ｘは１次元軸方向の空間座標、ρ1 は電荷密度波の振幅、Ｑは波数ベクトル（ネスティングベクトル）でＱ＝２ｋF （ｋF はフェルミ波数）、ρ0 ＝−ｅｎe （ｎe は電子の密度）、φは位相を示す。
図３に、試料１７のＣＤＷ状態におけるイオンの配置及びＣＤＷ（電荷密度ρ（ｘ））と探針１２のイオンの配置及びＣＤＷとを示す。ρ（ｘ）は次式で表される。
ρ（ｘ）＝ρ0 ＋ρ1 ｃｏｓ（Ｑｘ＋φ）
ただし、ｘは１次元軸方向の空間座標、ρ1 は電荷密度波の振幅、Ｑは波数ベクトル（ネスティングベクトル）でＱ＝２ｋF （ｋF はフェルミ波数）、ρ0 ＝−ｅｎe （ｎe は電子の密度）、φは位相を示す。
探針１２と試料１７との接触点において、探針１２の先端のＣＤＷの位相をθp 、試料１７の表面のＣＤＷの位相をθs とすると、θp −θs ∝Ｖthが成立する。ただし、Ｖthはしきい電場に対応する電圧（しきい電圧）である。探針１２の先端が、走査に伴い変位すると、それに伴ってθs が変化し、これがθp −θs の変化をもたらしてＶth、従ってしきい電場が変化することとなる。そして、これがＮＢＳの振動数の変化として測定される。
さらにもう一つの使用方法を説明する。これはＣＤＷトンネリングを利用するものである。
ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針１２を接近させ、走査する。探針１２の先端のＣＤＷの位相をθp 、試料１７の表面のＣＤＷの位相をθs とする。探針１２の先端が、走査に伴い変位すると、それに伴ってθs が変化し、これがθp −θs の変化をもたらし、探針１２と試料１７との間に流れるトンネリング電流が変化する。そして、この電流あるいは電圧の変化が表面像に変換される。
ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針１２を接近させ、走査する。探針１２の先端のＣＤＷの位相をθp 、試料１７の表面のＣＤＷの位相をθs とする。探針１２の先端が、走査に伴い変位すると、それに伴ってθs が変化し、これがθp −θs の変化をもたらし、探針１２と試料１７との間に流れるトンネリング電流が変化する。そして、この電流あるいは電圧の変化が表面像に変換される。
次に、ＣＤＷ針状結晶からなる探針１２の作製方法について説明する。
まず、図４Ａに示すように、円錐体２１を作製する。この円錐体２１は、後述の電子ビームの照射によりＣＤＷ結晶を成長させる際に加熱されて軟化しない程度の融点、例えば８００℃以上の融点を有するものであれば、基本的にはどのような材料からなるものでもよいが、具体的には、例えばＳｉ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 、ダイヤモンド、アルミナ（サファイヤ）、ＴａＳ2 、ＧａＡｓ、Ｎｉ、Ｔａなどを用いることができる。
まず、図４Ａに示すように、円錐体２１を作製する。この円錐体２１は、後述の電子ビームの照射によりＣＤＷ結晶を成長させる際に加熱されて軟化しない程度の融点、例えば８００℃以上の融点を有するものであれば、基本的にはどのような材料からなるものでもよいが、具体的には、例えばＳｉ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＳｉＯ2 、ダイヤモンド、アルミナ（サファイヤ）、ＴａＳ2 、ＧａＡｓ、Ｎｉ、Ｔａなどを用いることができる。
次に、図４Ｂに示すように、真空中において、この円錐体２１の表面に、成長させようとするＣＤＷ結晶の原料膜２２を形成する。この原料膜２２としては、例えばＣＤＷ結晶としてＴａＳｅ2 を用いる場合には、Ｔａ膜及びＳｅ膜からなる二層膜を用いるほか、ＴａＳｅ2 膜そのものであってもよい。この原料膜２２は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの成膜法のいずれか、またはこれらを適宜組み合わせて形成することができる。
次に、図４Ｃに示すように、こうして原料膜２２を形成した円錐体２１の先端部からその側面に沿って所定距離Ｌ、例えば１〜３μｍ程度離れた点Ｐを目掛けて電子ビーム２３を室温で照射する。この電子ビーム２３のスポットサイズは、例えば５０ｎｍ〜１μｍ程度とする。このとき、図４Ｄに示すように、この電子ビーム２３の照射部位ではなく、円錐体２１の先端部近傍にＣＤＷ針状結晶２４が成長する。電子ビーム２３の照射時には一般に、電子ビーム２３の照射部位とＣＤＷ針状結晶２４の成長部位との間に、先端部を低温側として１０〜１００℃／μｍの温度勾配が存在する。この場合、電子ビーム２３の照射部位の温度はＣＤＷ針状結晶２４の成長温度よりも高いが、ＣＤＷ針状結晶２４の成長部位はより温度が低くなって成長に最も適した温度になっている。このＣＤＷ針状結晶２４の成長は、固相エピタキシャル成長によるものと考えられる。このＣＤＷ針状結晶２４の太さ（径）は例えば５ｎｍ〜１μｍ程度、長さは例えば１０ｎｍ〜２μｍ、あるいは１０〜５００ｎｍであり、アスペクト比（長さ／太さ）は一般的には１００以下である。
Ｓｉからなる円錐体２１の表面にＴａ膜及びＳｅ膜を真空蒸着法により順次形成した後、これらのＴａ膜及びＳｅ膜からなる原料膜２２が形成された円錐体２１の先端部からその側面に沿ってＬ＝２μｍ離れた部位に電子ビーム２３を照射した。Ｔａ膜の厚さは１００ｎｍ、Ｓｅ膜の厚さは２００ｎｍとした。電子ビーム２３のスポットサイズは１μｍ、加速電圧は２５ｋＶ、照射電流量は１×１０-7μＡ、照射時間は３０分とした。また、電子ビーム２３の照射は３〜４×１０-6Ｔｏｒｒの圧力の真空中で行った。その結果、先端部から約０．５μｍ離れた部位に直径約０．４μｍのＴａＳｅ2 針状結晶が約１．５μｍの長さに成長した。その走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図５に示す。この場合、電子ビーム２３の照射部位の円錐体２１の温度は８００〜８５０℃程度、成長部位の温度は６００〜７００℃程度と考えられる。
このＴａＳｅ2 針状結晶を探針１２に用いてＴａＳｅ2 試料の表面を走査したところ、図６に示すような良好な原子像が得られた。
次に、このＴａＳｅ2 針状結晶に電極１３、１４を形成したものを探針１２に用いたＣＤＷ量子位相顕微鏡によりＴａＳｅ2 試料の表面を走査したところ、図７に示すようなＣＤＷ像が得られた。
このＴａＳｅ2 針状結晶を探針１２に用いてＴａＳｅ2 試料の表面を走査したところ、図６に示すような良好な原子像が得られた。
次に、このＴａＳｅ2 針状結晶に電極１３、１４を形成したものを探針１２に用いたＣＤＷ量子位相顕微鏡によりＴａＳｅ2 試料の表面を走査したところ、図７に示すようなＣＤＷ像が得られた。
以上のように、この第１の実施形態によれば、ＣＤＷの巨視的量子位相情報を積極的に活用したＣＤＷ量子位相顕微鏡を実現することができる。このＣＤＷ量子位相顕微鏡は、ＡＦＭを越える機能を持つ高精度な顕微鏡である。例えば、探針１２として長さが１００ｎｍのものを用いれば、周波数計１６の感度が１Ｈｚであるとして、１ｐｍの分解能を得ることができる。また、このＣＤＷ量子位相顕微鏡はＡＦＭなどと異なり光学系が不要なため、その分だけ小型に構成することができるという利点がある。
次に、この発明の第２の実施形態によるＣＤＷ量子位相顕微鏡について説明する。
図８に示すように、このＣＤＷ量子位相顕微鏡においては、カンチレバー３１の先端下部にＳｉなどからなる探針３２が取り付けられている。カンチレバー３１の他端は圧電制御装置（図示せず）に取り付けられている。カンチレバー３１の上に、ＣＤＷ針状結晶３３が一体的に設けられている。このＣＤＷ針状結晶３３の両端には電極３４、３５が設けられており、これらの電極３４、３５の間に電源３６及び周波数計３７を含む外部回路が接続されている。そして、周波数計３７により、ＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
図８に示すように、このＣＤＷ量子位相顕微鏡においては、カンチレバー３１の先端下部にＳｉなどからなる探針３２が取り付けられている。カンチレバー３１の他端は圧電制御装置（図示せず）に取り付けられている。カンチレバー３１の上に、ＣＤＷ針状結晶３３が一体的に設けられている。このＣＤＷ針状結晶３３の両端には電極３４、３５が設けられており、これらの電極３４、３５の間に電源３６及び周波数計３７を含む外部回路が接続されている。そして、周波数計３７により、ＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
次に、このＣＤＷ量子位相顕微鏡の使用方法を説明する。ここでは、一例としてＣＤＷナノ構造体からなる試料を用いる場合を考える。
図８に示すように、ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針３２を接触させ、走査する。探針３２が試料１７の表面に接触すると、探針３２の先端が変位し、それに伴ってカンチレバー３１の先端が変位し、それによってカンチレバー３１上のＣＤＷ針状結晶３３が伸縮して応力が生ずる。この応力により、ＣＤＷ針状結晶３２のしきい電場が変化し、それによりＣＤＷ針状結晶３２を流れるＮＢＳの振動数が変化する。そして、このＮＢＳの振動数の変化が表面像に変換される。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図８に示すように、ＣＤＷナノ構造体からなる試料１７の表面に探針３２を接触させ、走査する。探針３２が試料１７の表面に接触すると、探針３２の先端が変位し、それに伴ってカンチレバー３１の先端が変位し、それによってカンチレバー３１上のＣＤＷ針状結晶３３が伸縮して応力が生ずる。この応力により、ＣＤＷ針状結晶３２のしきい電場が変化し、それによりＣＤＷ針状結晶３２を流れるＮＢＳの振動数が変化する。そして、このＮＢＳの振動数の変化が表面像に変換される。
上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
次に、この発明の第３の実施形態によるＣＤＷ量子干渉計について説明する。このＣＤＷ量子干渉計を図９に示す。
図９に示すように、このＣＤＷ量子干渉計においては、ＣＤＷ針状結晶４１の両端に電極４２、４３が設けられており、これらの電極４２、４３の間に電源４４及び周波数計４５を含む外部回路が接続されている。ＣＤＷ針状結晶４１の中央部側面にはゲート電極４６が設けられており、このゲート電極４６によりＣＤＷ針状結晶４１の側面にゲート電圧を印加することができるようになっている。そして、周波数計４５によりＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
図９に示すように、このＣＤＷ量子干渉計においては、ＣＤＷ針状結晶４１の両端に電極４２、４３が設けられており、これらの電極４２、４３の間に電源４４及び周波数計４５を含む外部回路が接続されている。ＣＤＷ針状結晶４１の中央部側面にはゲート電極４６が設けられており、このゲート電極４６によりＣＤＷ針状結晶４１の側面にゲート電圧を印加することができるようになっている。そして、周波数計４５によりＮＢＳの振動数を測定し、それによってしきい電場の変化を測定することができるようになっている。
このＣＤＷ量子干渉計の使用方法を説明する。
高純度で微小なＣＤＷ針状結晶４１では、両端でのピン止め力が強め合うか弱め合うかは、ＣＤＷの波長λCDW とＣＤＷ針状結晶４１の長さとの兼ね合いで決まる。ＣＤＷ針状結晶４１の電極４２側の一端におけるＣＤＷの位相をθ1 、電極４３側の他端におけるＣＤＷの位相をθ2 とする。ＣＤＷ針状結晶４１にゲート電極４６によりゲート電圧Ｖg が印加されると、ＣＤＷの波長λCDW が変化し、それによってθ1 −θ2 の値が変化し（Ｖg ∝θ1 −θ2 ）、それとともにしきい電圧Ｖth、従ってしきい電場が変化する。ここで、
Ｖth＝２Ｖ0 ｜ｃｏｓ（πＣg Ｖg ／２ｅ）｜
である。ただし、Ｖ0 は定数、Ｃg はゲート容量、ｅは電荷素量である。このしきい電場の変化をＮＢＳの振動数を測定することによって検出することにより、局所的な電場を測定することができる。
この第３の実施形態によれば、ＣＤＷの巨視的量子位相情報を積極的に活用したＣＤＷ量子干渉計を実現することができる。このＣＤＷ量子干渉計によれば、局所的な電場を高精度で測定することができる。
高純度で微小なＣＤＷ針状結晶４１では、両端でのピン止め力が強め合うか弱め合うかは、ＣＤＷの波長λCDW とＣＤＷ針状結晶４１の長さとの兼ね合いで決まる。ＣＤＷ針状結晶４１の電極４２側の一端におけるＣＤＷの位相をθ1 、電極４３側の他端におけるＣＤＷの位相をθ2 とする。ＣＤＷ針状結晶４１にゲート電極４６によりゲート電圧Ｖg が印加されると、ＣＤＷの波長λCDW が変化し、それによってθ1 −θ2 の値が変化し（Ｖg ∝θ1 −θ2 ）、それとともにしきい電圧Ｖth、従ってしきい電場が変化する。ここで、
Ｖth＝２Ｖ0 ｜ｃｏｓ（πＣg Ｖg ／２ｅ）｜
である。ただし、Ｖ0 は定数、Ｃg はゲート容量、ｅは電荷素量である。このしきい電場の変化をＮＢＳの振動数を測定することによって検出することにより、局所的な電場を測定することができる。
この第３の実施形態によれば、ＣＤＷの巨視的量子位相情報を積極的に活用したＣＤＷ量子干渉計を実現することができる。このＣＤＷ量子干渉計によれば、局所的な電場を高精度で測定することができる。
以上、この発明の実施形態及び実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態及び実施例において挙げた数値、構成、材料、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、材料、原料、プロセスなどを用いてもよい。
例えば、上述の実施形態及び実施例において挙げた数値、構成、材料、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、材料、原料、プロセスなどを用いてもよい。
また、電子ビーム２３の代わりに、レーザービームやイオンビームなどの他のエネルギービームを用いてもよい。また、電子ビーム２３の照射前に原料膜２２をあらかじめ形成しておくのではなく、成長原料を供給しながら電子ビーム２３を照射することにより成長を行うようにしてもよい。さらに、一部の原料膜を形成した状態で他の成長原料を供給しながら電子ビーム２３を照射することにより成長を行うようにしてもよい。
１１…圧電制御装置、１２…探針、１６、３７、４５…周波数計、１７…試料、２１…円錐体、２２…原料膜、２３…電子ビーム、２４、３３、４１…ＣＤＷ針状結晶
Claims (4)
- 電荷密度波結晶からなる探針を用い、上記探針を試料に接触させたときの上記電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより測定することを特徴とする電荷密度波量子位相顕微鏡。
- 上記電荷密度波結晶がＭＸ p （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、１．８≦ｐ≦２．２）、ＭＸ q （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、２．７≦ｑ≦３．３）またはＭＸ r （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、３．６≦ｒ≦４．４）からなることを特徴とする請求項１記載の電荷密度波量子位相顕微鏡。
- 電荷密度波結晶からなる針状結晶を用い、上記針状結晶の側面にゲート電圧を印加したときの上記電荷密度波結晶のしきい電場の変化を狭帯域信号の振動数を測定することにより測定することを特徴とする電荷密度波量子干渉計。
- 上記電荷密度波結晶がＭＸ p （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、１．８≦ｐ≦２．２）、ＭＸ q （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、２．７≦ｑ≦３．３）またはＭＸ r （ただし、ＭはＴａ及びＮｂからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、ＸはＳ、Ｓｅ及びＴｅからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素、３．６≦ｒ≦４．４）からなることを特徴とする請求項３記載の電荷密度波量子干渉計。
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