東北大ら,顕微鏡とMRIで原子核スピンを観察

東北大学と物質・材料研究機構(NIMS)の研究グループは,強磁場,極低温環境で動作する走査型偏光選択蛍光分光顕微鏡と核磁気共鳴(NMR)を組み合わせ,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(ニュースリリース)。

核磁気共鳴(NMR)は,物質の分析や分⼦構造を特定する⼿法として幅広い科学の分野で⽤いられている。この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,ミリメートル以下の微⼩領域を撮像するのは不向きなため,今回の研究対象となっている半導体ナノ構造の核スピンを探索するための⼿法として,通常のMRIと異なる原理を⽤いてマイクロメートル,ナノメートルスケールの撮像を可能にする磁気イメージング法が,さまざまな研究機関で研究されている。

今回,研究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,光の波⻑限界程度(1㎛程度)の空間分解能をもつ光検出磁気イメージング法(光検出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(発光)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もの。

今回光検出NMRやその派⽣技術を駆使することで,⾼純度半導体のナノ構造試料を観察したところ,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をすることを⾒いだした。

今回⽤いた光検出MRIは核スピンの向きを含めた偏極度,核スピンの縦緩和時間,スピン拡散距離等も1㎛程度の空間分解能で計測が可能なため,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可能。将来的には紫外から⾚外領域の広い波⻑範囲で,半導体以外の材料系を対象とした光検出MRIなどへの応⽤に展開していくとしている。

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