東北大,核スピン共鳴プローブ顕微鏡を開発

東北大学の研究グループは,走査プローブ顕微鏡に核スピン共鳴技術を組み合わせた「核スピン共鳴プローブ顕微鏡」を開発し,髪の毛の細さの1万分の1の厚み,10分の1以下の幅に存在するスピン状態のMRI(核磁気共鳴イメージング)に成功した(ニュースリリース)。

MRI(核磁気共鳴イメージング)は,医療分野で病気の画像診断に広く用いられている。小さな病気を発見するためにはMRIを細かい画素で表示する必要があるが,画素の間隔が髪の毛よりも細い数十マイクロメートル以下となるような高分解能診断は難しい。

一方,量子構造を持つ半導体デバイスにおいても,MRIの根幹技術である核スピン共鳴が,量子構造のスピン状態を調べるための強力な手段として用いられている。しかし,MRIを半導体デバイスのようなナノからミクロンスケールに閉じ込められた構造に用いる場合は,前述の分解能の問題に加え,半導体中に埋め込まれた量子構造からの核スピン共鳴信号をどのように抽出するかが問題となる。

研究では,走査プローブ顕微鏡に核スピン共鳴技術を組み合わせた「核スピン共鳴プローブ顕微鏡」を開発し,半導体量子構造中にある原子核スピンの共鳴信号をミクロスコピックにとらえることに成功した。

開発した顕微鏡のデモンストレーションは,半導体構造に閉じ込められた電子に強い磁場をかけることで生じる量子ホール状態を利用して行なった。核スピン共鳴信号の強度とナイトシフトと呼ばれる共鳴周波数のずれをマッピングすることにより,核スピン偏極領域と電子スピン偏極度の空間変化を明瞭に映し出すことに成功した。

この研究成果は,量子構造における電子・原子核スピンの分布を明瞭に映し出す新しい技術を提供するものであり,今後,様々な量子構造のスピン状態,量子デバイスのMRI診断への応用が期待されることから,核スピンを用いたスピントロニクス分野の促進につながるとしている。

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