千葉大学 大学院工学研究院 先進理化学専攻 物質科学コース、および 千葉大学 工学部 総合工学科 物質科学コース、 山田豊和研究室です。

〒263-8522 千葉県千葉市稲毛区弥生町1-33

STMで1個の原子・分子・スピンを「観る!」「測る!」「触る!」

走査トンネル顕微鏡(STM)による超小型・次世代エレクトロニクス創出物質および新奇物性探索 〜次世代AI・ロボット・スマートシティ実現への超省エネデバイス用物質材料開発〜
キーワード: @原子・分子マニピュレーション、Aスピントロニクス磁気物質、Bトポロジカル超伝導物質、C分子スピントロニクス、Dグラフェン分子炭素材料、E1個の生命分子で構造解明”創薬”。

更新情報:
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山田豊和研究室ウォーキングビュー(Lab. warking tour)

走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy: STM)は、この世を構成する最も小さな1個の原子が直接みえてしまう『超高分解能な顕微鏡』です。山田豊和研究室ではSTMを自作開発しています。 STMの面白い点は、探針をつかって、右図のような原子レベルで平坦な基板上にある、1個の原子や分子を、つつくようにして動かすことができる点です。 『原子マニピュレーション』『分子マニピュレーション』といいます。 STMで1個の原子・分子を動かして「究極の”ものづくり”」ができるのです。
     我々は、このSTMで社会貢献し、人類にとって快適・健全な未来の実現を目指しています。 例えば、近未来、各家庭に、ドラえもんのような極めて有能なロボットが一台以上あり(安い電気代で)、空気・水がきれいで自然豊かな社会を実現するには、限られた資源・限られた電力で、今よりはるかに高性能なデバイスが必要です。より少ない資源(物質)・より少ない電力で動くデバイスを作る、ということは、デバイスの大きさを現在の1/1000(約1nm:ナノメートル=0.000001mm、約原子3個分)にまでしなくてはなりません。そのため、デバイスの大きさは 「ムーアの法則」 にしたがいどんどん小さくなっています。 これほど小さな物質を”観て””触って””動かす”ことができるのがSTMです。
     我々は、さらに、STMを使って電子分光計測を行っています 「STM電子分光: scanning tunneling spectroscopy (STS)」。 原子レベルで物質の持つ電子状態密度の直接観察をおこない、さらに探針を試料に”そっと”接触させて、直接、 1個の分子レベルで伝導測定 ができます。
どの物質が金属・半導体・絶縁体などの特性を有するか、デバイスとして利用できるのか、”その場”で評価しています。
     特に、私たちがパソコン・スマホで、毎日やりとりする”情報”は、1と0の2進数に変化され、これを磁石のNS極に置き換えて保存されています。最近、家電屋さんではHDD(ハードディスクドライブ)が買えます。1TB(テラバイト)のHDD(約1万円)では、1テラということは、10の12乗(=1兆)個の磁石が入っているわけです。現在の磁石デバイスの大きさは、50−100nmですが、我々は1nmサイズ磁石デバイス(=スピントロニクス)開発を目指しています。 STMの探針に、磁石の針をつかうことで、なんと!、1個の原子の磁石NS極もみえてしまうのです!これを 「スピン偏極STM」 と呼びます。山田豊和准教授は、スピン偏極STMを2000年より開発研究し、2016年8月には 第6回スピン偏極STM国際会議 を主催(千葉大学にて: 集合写真)しました。 我々は、このSP-STMを使い、2010年以降、1nmサイズの有機分子が新たなスピントロニクス材料として使えるのか研究しています。 「1個の分子による磁気抵抗計測」「1個の分子による情報読み取り磁気抵抗センサー」

共同研究ネットワーク: 国外3研究室国内12研究室, 代表的マスコミ報道

研究プロジェクト
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Publication lists


[78] 【解説】磁石でつくる室温でも安定な世界最薄の有機分子膜─磁性3d電子状態と分子π軌道との強固な結合【REVIEW, Japanese】 山田豊和, 稲見栄一
月刊「化学」 Vol. 73, No. 8, pp.44-48 (2018).

[77]【Patent】特許:山田豊和、稲見栄一, 発明の名称:薄膜形成方法及び記憶素子
出願日:平成30年6月5日, 出願番号:特願2018−107375

[76] Controlled deposition number of organic molecules using quartz crystal microbalance evaluated by STM single molecule counting
Eiichi Inami, Masataka Yamaguchi, Takayuki Yamaguchi, Mikio Shimasaki, and Toyo Kazu Yamada
Analytical Chemistry (2018) in press.

[75] Energy Gap Opening by Crossing Drop Cast Single-Layer Graphene Nanoribbons
Toyo Kazu Yamada, Hideto Fukuda, Taizo Fujiwara, Polin Liu, Kohji Nakamura, Seiya Kasai, Amadeo L. Vazquez de Parga and Hirofumi Tanaka
Nanotechnology 29, 315705 (2018).

[74] 薄さは分子1個分!室温でも「超安定」な極薄有機分子膜‐磁気メモリの高密度化・省エネ化を促進 【REVIEW, Japanese】, E. Inami and T. K. Yamada
academist Journal, 研究コラム, 2018年3月9日.

[73] Room temperature stable film formation of π-conjugated organic molecules on 3d magnetic substrate
E. Inami, M. Shimasaki, H. Yorimitsu, and T. K. Yamada
Scientific Reports 8, 353 (2018) Supplementary Information (PDF) Open Access
プレスリリース。 日本経済新聞、他ネットニュース。 千葉日報(1面)。 日刊工業新聞。 日経産業新聞。 産業新聞。

[72] スピン偏極走査トンネル顕微鏡による原子・分子・ナノ磁性体の磁気構造解明,
山田豊和
科研費NEWS「最近の研究成果トピックス」, Vol.4, pp.10.

[71]Compendium of Surface and Interface Analysis, Chapter 103: Spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM), 【BOOK】
Toyo Kazu Yamada
Springer, Singapore, DOI: 10.1007/978-981-10-6156-1 (日本表面科学会"表面分析図鑑"英語版), pp. 637-642, (2018).

[70] スピン偏極STMの発展の歴史と今後の課題,
山田豊和,
日本真空学会誌 (Journal of the Vacuum Society of Japan), 60巻, No.5, pp. 159-164, 2017年. Free Access

[69]Molecular Architectonics (The Third Stage of Single Molecule Electronics), Spin polarization of single organic molecules: towards single molecular spintronics【BOOK】
T. K. Yamada
Springer, pp. 381-397, (2017). ISBN 978-3-319-57096-9, (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-57096-9

[68] Role of π-d hybridization in 300-K organic-magnetic interface: metal-free phthalocyanine single molecules on bcc Fe(001)-whisker
T. K. Yamada, Y. Yamagishi, S. Nakashima, Y. Kitaoka, and K. Nakamura
Phys. Rev. B 94, 195437 (2016)
Selected as “Kaleidoscope”

[67] Temperature control of the growth of iron oxide nanoislands on Fe(001)
Toyo Kazu Yamada, Yuki Sakaguchi, Lukas Gerhard, and Wulf Wulfhekel
Japanese Journal of Applied Physics 55, 08NB14 (2016).

[66] Electron-bombarded <110>-oriented tungsten tips for stable tunneling electron emission
T. K. Yamada, T. Abe, N. M. K. Nazriq, and T. Irisawa
Review of Scientific Instruments 87, 033703 (2016).

[65] 表面上の原子スピン (Atomic spins on surfaces, Andreas Heinrich, Physics Today) 【翻訳・解説】
山田豊和
パリティ, 31 (2016) 24-31.

[64] 極限スピン観察と制御:SP-STM (PDF 1.4MB)
山田豊和
日本磁気学会 第210回研究会資料「“スピン”の可視化とその操作」 (2016) 17-21.

[63] Method for Controlling Electrical Properties of Single-Layer Graphene Nanoribbons via Adsorbed Planar Molecular Nanoparticles,
Hirofumi Tanaka, Ryo Arima, Minoru Fukumori, Daisuke Tanaka, Ryota Negishi, Yoshihiro Kobayashi, Seiya Kasai, Toyo Kazu Yamada and Takuji Ogawa
Scientific Reports, 5 (2015), 12341. Open Access
プレスリリース:日刊工業新聞(紙面)。 日刊工業新聞(ネット)。

[62] How to get molecular spin-polarization using spin-polarized STM
T. K. Yamada,
Journal of The Surface Science Society of Japan, 36 (2015) 375-381. Review paper , Free Access

[61] Electronic processes in organic electronics: Bridging electronic states and device properties. Chapter 18: Single molecular spintronics【BOOK】
T. K. Yamada, Springer, Tokyo、Springer Series in Materialsa Science 209, (2015) pp.403-416.

[60] 第62回応用物理学会春季学術講演会「JSPSフォトコンテスト」 「題名:酸化鉄原子層台地」 走査トンネル顕微鏡によるFe(001)-p(1x1)O原子テラス上に成長したマグネタイトテラスの原子形状像。2015.3.11-14、坂口雄基、山田豊和.

[59] 第62回応用物理学会春季学術講演会「JSPSフォトコンテスト」 「題名:世界最小・雲の上の山」 極低温走査トンネル顕微鏡によるCu(111)原子テラス上に吸着した鉄の原子1個とフタロシアニン有機分子1個を観察した像。」、中島脩平、山田豊和.

[58] 第62回応用物理学会春季学術講演会「JSPSフォトコンテスト」 「題名:タングステン単結晶山」 単結晶化したタングステン線を化学エッチングして作成した針。阿部巧、山田豊和.

[57] Room temperature spin-polarizations of Mn-based antiferromagnetic nanoelectrodes,
T. K. Yamada and A. L. Vazquez de Parga,
Appl. Phys. Lett. 105 (2014) pp.183109: 1-5. Open Access

[56] マイクロビームアナリシス・ハンドブック【BOOK】
第2.3.2章スピン偏極走査トンネル顕微鏡、山田豊和、オーム社、東京、pp.203-206, 2014年.
Download (50MB)

[55] 強力永久磁石の開発と磁区観察先端技術【BOOK】
第1章スピン偏極STM開発技術、山田豊和、日本学術振興会産学協力研究委員会特別事業、日本学術振興会マイクロビームアナリシス第141委員会編纂、東京、pp.1-32, 2014年
Download! (43MB)
Open Access .

[54] 応用物理学会誌、図解・学術講演会大分類 表面・薄膜分野
「スピン偏極走査トンネル顕微鏡(STM)による1nmサイズの単一有機分子を用いた世界最小・磁気抵抗センサーの実証実験。フタロシアニン分子を介する伝導を磁性探針とナノ磁石の磁気結合(平行・反平行)で制御。」山田豊和, 2014年8月号.

[53]追悼: 溝口正先生を偲んで。
山田豊和
日本磁気学会誌まぐね, 9 (2014) 245.

[52] Recovery of nanomolecular electronic states from tunneling spectroscopy: LDOS of low-dimensional phthalocyanine molecular structures on Cu(111),
Y. Yamagishi, S. Nakashima, K. Oiso and T. K. Yamada,
Nanotechnology 24 (2013) 395704 (11pp).

[51] How contacting electrodes affect single π-conjugated molecular electronic states: LDOS of phthalocyanine nano molecules on MgO(001), Cu(111), Ag(001), Fe(001) and Mn(001),
Shuhei Nakashima, Yuhei Yamagishi, Kenji Oiso, Toyo Kazu Yamada,
Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013) 110115. Open Access

[50] スピン偏極走査トンネル顕微鏡:ナノ材料の原子スケール磁気イメージング
山田豊和
日本顕微鏡学会誌, 48 (2013) 20-25. Review paper , Open Access

[49] 単一ナノ分子・磁気抵抗素子〜スピン偏極STMによる単一分子電子スピン伝導測定〜
山田豊和
表面科学, 34 (2013) 443-448. Review paper , Free Access

[48] 「ナノ」を通じた国際交流。
山田豊和、公益財団法人山田科学振興財団 財団ニュース平成25年度第1号、pp.18, 2013年

[47] Spintronics with single molecules,
W. Wulfhekel, T. Miyamachi, S. Schmaus, T.K. Yamada, A. F. Takacs, A. Bagrets, F. Evers, T. Balashov, M. Gruber, V. Davesne, M. Bowen, and E. Beaurepaire
IEEE NANO proceedings, 2012 12th IEEE Internationa; Conference on Nanotechnology, (2012) 957-961.

[46] Single molecule magnetoresistance with combined antiferromagnetic and ferromagnetic electrodes,
A. Bagrets, S. Schmaus, A. Jaafar, D. Kramczynski, T.K. Yamada, M. Alouani, W. Wulfhekel, and F. Evers,
Nano Letters, 12, (2012) 5131-5136.

[45] Robust spin crossover and memristance across a single molecule,
T. Miyamachi, M. Gruber, V. Davesne, M. Bowen, S. Boukari, F. Scheurer, G. Rogez, T. K. Yamada, P. Phresser, E. Beaurepaire, and W. Wulfhekel,
Nature Communications, 3, (2012) 938. Open Access
プレスリリース。
NHK news (pictures)。
NHK news (movie: 32MB)。
千葉日報、産経新聞、読売新聞、毎日新聞。

[44] Electric Field Control of Fe Nano Magnets,
T. K. Yamada, L. Gerhard, R.J.H. Wesselink, A. Ernst, and Wulf Wulfhekel,
J. Magn. Soc. Jpn., 36, (2012) 100-103. Open Access

[43] 電界による鉄ナノ磁石制御:金属表面での磁気電気結合
山田豊和
日本金属学会誌まてりあ, 51 (2012) 475-479. Review paper , Free Access

[42] 〜従来の100倍容量の記録を可能にする〜新しい鉄ナノ記録材料
山田豊和
Material Stage (月刊 マテリアルステージ), 12 (2012) 57-60.

[41-4] 留学経験を土台に世界を舞台に研究
山田豊和、日経BPムック・学習院大学理学部広報誌, pp.26-27, 2012年.

[41-3] 1個の鉄原子で情報記録に成功!〜世界最小・ナノ分子磁気メモリ〜
山田豊和、千葉大学「研究成果の見える化」最近の革新的な研究成果, pp.2, 2012年.

[41-2] 1個の鉄原子で情報記録に成功!〜世界最小・ナノ分子磁気メモリ〜
山田豊和、千葉大学「千葉大プレス」, pp.15, 2012年.

[41-1] 世界最小・ナノ分子磁気メモリ
山田豊和、千葉大学「Chiba University Handbook」, pp.12, 2012年.

[40] Giant magnetoresistance through a single molecule,
S. Schmaus, A. Bagrets, Y. Nahas, T.K. Yamada, A. Bork, F. Evers, and W. Wulfhekel,
Nature Nanotechnology, 6, (2011) 185-189.
プレスリリース(パワポ)。 プレスリリース(用紙)。 プレスリリース(記者会見)。
新聞(紙面):読売新聞、毎日新聞、千葉日報。
R25。 NatureJapan。 ジャパンナレッジ。 千葉大学・千葉理数教育高大連携ニュース No.42。 文教ニュース。

[39] Electrical control of the magnetic state of Fe,
L. Gerhard, T. K. Yamada, T. Balashov, A. F. Takacs, M. Daena, S. Ostanin, A. Ernst, I. Mertig, and W. Wulfhekel,
IEEE Transactions on Magnetics, 47, (2011) 1619-1622.

[38] Electric field control of Fe nano magnets: towards metallic non-volatile data-storage devices,
Toyo Kazu Yamada, Lukas Gerhard, Timofey Balashov, Albert F. Takacs, Rien J. H. Wesselink, and Wulf Wulfhekel,
Japanese Journal of Applied Physics, 50 (2011) 08LA03: 1-5. Review paper

[37] STMが切り拓く新たなスピンデバイスの創成,
山田豊和
日本磁気学会誌まぐね, 6 (2011) 333-341. Review paper

[36] 電界による鉄ナノ磁石制御:金属表面での磁気電気結合の発見 【Editor’s Choice】,
山田豊和
表面科学, 32 (2011) 361-367. Review paper, Free Access

[35] 日本発世界を変えるエコ技術 (山田豊和's インタビュー記事)【BOOK】
著:山路達也, ポット出版 (2011) 91-99.
ISBN978-4-7808-0161-3 C0040

[34] Magneto-electric coupling at metal surfaces,
L. Gerhard, T.K. Yamada, T. Balashov, A.F. Takacs, M. Daena, S. Ostanin, A. Ernst, I. Mertig, and W. Wulfhekel,
Nature Nanotechnology, 5, (2010) 792-797.
記者会見。 プレスリリース。 毎日新聞、朝日新聞、千葉日報、日本経済新聞。

[33] 磁気イメージングハンドブック, 日本磁気学会編, 【BOOK】
編集幹事:大島則和、小野寛太、笹田一郎、三俣千春、山田豊和、
山田豊和, 第1章. (2010) 15-44.
共立出版、東京、2010年9月15日、ISBN 978-4-320-03468-6
2015年日本磁気学会 出版賞

[32] Spin polarization vectors of field emitted electrons from apexes of Fe-coated W tips,
T. Irisawa, T. K. Yamada, and T. Mizoguchi,
New Journal of Physics, 11, (2009) 113031.

[31] Surface reconstruction of clean bcc-Fe{110}: A quasi-hexagonal top-layer with periodic height modulation,
T. K. Yamada, H. Tamura, M. Shishido, T. Irisawa, and T. Mizoguchi,
Surface Science, 603, (2009) 315-319.

[30] Requirement of Ala residues at g position in heptad sequence of α-helix-forming peptide for formation of fibrous structure,
G. Aoki, T. K. Yamada, M. Arii, S. Kojima and T. Mizoguchi,
Journal of Biochemistry, 144, (2008) 15-19. Open Access

[29] Spin configuration in a frustrated ferromagnetic/antiferromagnetic thin-film system,
T. K. Yamada, E. Martinez, A. Vega, R. Robles, D. Stoeffler, A. L. Vazqeuz de Parga, T. Mizoguchi and H. van Kempen,
Nanotechnology, 18 (2007) 235702: 1-6.

[28] Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy,
T. K. Yamada and T. Mizoguchi
The Physical Society of Japan, 62巻, No.7, pp.499-508, 2007年.
Cover image (表紙, 20MB) Review paper

[27] Spin-Polarized STM/STS: An Ultimate Experiment in Magnetism,
T. K. Yamada and T. Mizoguchi
Solid State Physics, 42 (2007) 749-756. Review paper

[26] Enormous electron emission from polygonal W tip,
T. Irisawa, T. K. Yamada, and T. Mizoguchi,
6th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices 2007 (ALC07) Proceedings: JSPS1441 Committee Activity Report (2007).

[25] Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy / Spectroscopy,
T. K. Yamada,
Report of The Magnetics Society of Japan Symposium, 155 (2007) 41-46.

[24] Study of magnetic interaction between ferromagnetic and anti-ferromagnetic layers by means of spin-polarized scanning tunneling spectroscopy: Fe/Mn/Fe(001)-multilayers,
T. K. Yamada, and T. Mizoguchi,
Report of The Magnetics Society of Japan Symposium, 140 (2007) 21-27.

[23] Study of c(2x2)-MnAu(100) layers on Mn(001) by means of scanning tunneling microscopy /spectroscopy,
T. K. Yamada, A. L. Vazqeuz de Parga, M. M. J. Bischoff, T. Mizoguchi and H. van Kempen,
Surface Science, 600 (2006) 1048-1053.

[22] Evaluation of sample spin-polarization from spin-polarized scanning tunneling spectroscopy experiments,
T. K. Yamada, A. L. Vazquez de Parga, M. M. J. Bischoff, T. Mizoguchi, and H. van Kempen,
Microscopy Research and Technique, 66 (2005) 93-104.

[21] Characterization of Fe/W spin-polarized tips by means of holographic TEM and spin-polarized STS of optically pumped p-GaAs,
T. Matsuda, A. Tonomura, T. K. Yamada, D. Okuyama, N. Mizuno, A. L. Vazqeuz de Parga, H. van Kempen and T. Mizoguchi,
IEEE Transactions and Magnetics, 41 (2005) 3727-3729.

[20] Study of magnetic structure of manganese (001) atomic layers by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy / spectroscopy having sub-nanometer scale magnetic resolution,
T. K. Yamada and T. Mizoguchi,
Materia Japan, 44, (2005) 975.

[19] Spin-polarized scanning tunneling microscopy / spectroscopy study of MnAu(001) thin films,
T.K. Yamada, R. Robles, E. Martinez, M.M.J. Bischoff, A. Vega, A.L. Vazqeuz de Parga, T.Mizoguchi and H. van Kempen,
Physical Review B, 72 (2005) 014410: 1-4.

[18] Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy and Quantitative Analysis studied on Mn(001)
T. K. Yamada and T. Mizoguchi
Journal of The Surface Science Society of Japan, 26 (2005) 2-10. Review paper

[17] Study of spin-polarized scanning tunneling microscopy/spectroscopy on ultra-thin magnetic films and multilayers: sub-nanometer scale magnetism,
T. K. Yamada,
Radboud University Nijmegen, Ph.D thesis (2005) 1-193. (Download, 19MB)
ISBN90-9019035-X

[16] Study of Fe/Mn/Fe(001) multilayers by means of scanning tunneling microscopy/spectroscopy,
T. K. Yamada, M. M. J. Bischoff, A. L. Vazqeuz de Parga, T. Mizoguchi and H. van Kempen,
Surface Science, 558 (2004) 201-210.

[15] Sub-Nanometer Scale Mgnetism of Ultra-Thin Manganese Films on Fe(001) studied by means of Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy,
T. K. Yamada,
Gakushuin University, Ph.D thesis (2004) 1-113.

[14] Introduction of Basic Magnetism through Experiments V,
T. Mizoguchi and T. K. Yamada,
Journal of the Magnetics Society of Japan, 28 (2004) 1142-1149.

[13] Observation of spin-polarized surface states on ultrathin bct Mn(001) films by spin-polarized scanning tunneling spectroscopy,
T. K. Yamada, M. M. J. Bischoff, G. M. M. Heijnen, T. Mizoguchi, and H. van Kempen,
Physical Review Letters, 90 (2003) 056803: 1-4.

[12] Origin of magnetic contrast in spin-polarized scanning tunneling spectroscopy: experiments on ultra-thin Mn films
T. K. Yamada, M. M. J. Bishoff, G. M. M. Heijnen, T. Mizoguchi, and H. van Kempen,
Japanese Journal of Applied Physics, 42 (2003) 4688-4691.

[11] Data evaluation for spin-polarized scanning tunneling spectroscopy measurements,
T. K. Yamada, A. L. Vazquez de Parga, M. M. J. Bischoff, T. Mizoguchi, and H. van Kempen,
AIP Conf. Proc., 696 (2003) 608-614.

[10] Use of voltage pulses to detect spin-polarized tunneling,
T. K. Yamada, M. M. J. Bischoff, T. Mizoguchi, and H. van Kempen
Applied Physics Letters, 82 (2003) 1437-1439. (Cover image)

[9] Scanning Tunneling Spectroscopy Study of Surface States of 3d Metals: Chemical Identification, Magnetic Contrast and Orbital Kondo Resonance State,
M. M. J. Bischoff, C. M. Fang, R. A. de Groot, G. M. M. Heijnen, M. I. Katsnelson, O. Yu. Kolesnychenko, R. de Kort, A. I. Lichtenstein, A. J. Quinn, A. L. Vazqeuz de Parga, T. K. Yamada and H. van Kempen,
Acta Physica Polonica A, 104 (2003) 231-243.

[8] Local electronic structure of Fe(001) surfaces studied by scanning tunneling spectroscopy,
M. M. J. Bischoff, T. K. Yamada, C. M. Fang, R. A. de Groot and H. van Kempen,
Physical Review B, 68 (2003) 045422: 1-7.

[7] Analysis of the short-range order of the Au/Fe(001) surface alloy,
M. M. J. Bischoff, T. K. Yamada, and H. van Kempen
Physical Review B, 67 (2003) 165403: 1-7.

[6] Scanning tunneling microscopy and spectroscopy study on the submonolayer growth of Mn on Fe(001)
M. M. J. Bischoff, T. Yamada, A. J. Quinn, and H. van Kempen
Surface Science, 501 (2002) 155-167.

[5] STM and STS study of ultrathin Mn layers on Fe(001),
T. K. Yamada, M. M. J. Bischoff, T. Mizoguchi, and H. van Kempen,
Surface Science, 516 (2002) 179-190.

[4] Photoemission and STM, STS Study of Cs/p-GaAs(110),
T. Yamada, J. Fujii, T. Mizoguchi
CP570, SPIN2000, 14th International Spin Physics Symposium, 908-911, (2001).

[3] STM, STS, and Local Work Function Study of Cs/p-GaAs(110),
T. Yamada, J. Fujii, T. Mizoguchi,
Surface Science, 479 (2001) 33-42.

[2] Polarization of Secondary Electrons from Clean and Oxygen-Chemisorbed Ni(110),
Y. Oshima, T. Yamada, J. Fujii, and T. Mizoguchi,
Trans. Magn. Soc. Japan, 1 (2001) 16-21. Open Access

[1] Direct observation of surface alloying and interface roughening: Growth of Au on Fe(001)?,
M. M. J. Bischoff, T. Yamada, A. J. Quinn, R. G. P. van der Kraan, and H. van Kempen,
Physical Review Letters, 87 (2001) 246102: 1-4.

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紹介
スマートフォンやタブレットなど情報端末の爆発的な普及により、多くの人々が手軽に安価で電子情報をやり取りできる時代となってきた。数十年前にはコンピュータ一台の大きさが数メートルに及んだものが今や手のひらサイズにまで小さくなり、手のひらサイズに保存できる情報量は、百万個から1兆個に増加した。これを実現したのが情報記録素子の微細化技術の急速な発展である。

世の中にあふれる電子「情報」は全て2進数に変換され、磁石の向き(N-Sは「1」S-Nは「0」)で記録される。情報量の増大はすなわち膨大な磁石の需要を生じる。また情報の書き込みには電力が必要であり新たなエネルギー消費を促す。つまり、急激な情報社会の発展は、ますますの電力消耗と資源枯渇を生み出しているのである。現在の生活水準の維持と、地球環境に配慮した持続可能社会実現の両立は、よりよい人類社会の発展には必要不可欠である。

山田豊和は、困難と考えられてきたこれらの課題を解決する、革新的な素子開発を近年立て続けに報告してきている(Nature Nanotechnology 2010年, Nature Nanotechnology 2011年, Nano Letters 2012年, Nature Communications 2012年, 他)。これらの業績は「ナノスケールの鉄ナノ磁石を電界でコントロール!冷たいPC実現へ」、「インク分子で世界最小・磁気センサーの開発に成功!」としてメディアに大きく取り上げられた(新聞報道15件、NHK報道2件)。2012年には、日本物理学会・若手奨励賞、日本磁気学会・内山賞、千葉大学・先進科学賞が授与された。研究代表者として獲得した外部資金(科研費・若手A, 新学術領域等)は28件、総額131,333千円、学会等への招待講演は62件に上る。社会に大きなインパクトを与えた理由は、彼の独創的な研究が近未来素子実現への新たな可能性を示したからである。

そもそも、どのようにすれば省資源・省電力な磁気情報素子が開発できるのだろうか。情報を記録するということは、現実には微小なナノ磁石のNS極の向きを変えることを意味する。磁石の向きを変えるには、コイルに電流を流し「磁界」をかけてやればよい。実際に身の回りのパソコン内部でも微小なコイルが磁石の上を高速で動きまわり磁界をかけている。コイルに電流を流せば当然「熱」が発生する。これが無駄な電力消耗である。情報量が増えれば現状の技術では電力はますます消耗されパソコンは熱くなる。これを打破するアイデアとして「電界」を使って磁石制御できないか考えられた。「電界」であれば熱発生は無く冷たいPCが可能となる。山田は、我々の身近に存在し素子にも広く使われている「鉄」を1ナノメートル(十億分の1メートル)の大きさまで小さくすることで、電界によって磁石制御できることを発見し電界制御による新たな磁気情報記憶素子の開発実現への道を切り拓いた (Nature Nanotechnology 2010年、「熱くならぬPC実用化へ一歩」朝日新聞、毎日新聞、日本経済新聞)。

「電力」と同様に重要なのが「資源」である。限られた「資源」でより多くの情報を記録するためには1つ1つの磁石の大きさを小さくすればよい。現在、その大きさは数十ナノメートルまで小さくなっている。しかし既存の希少金属等の無機材料のみによる開発技術ではこれ以上の微細化は極めて困難である。一方で様々なロードマップは2030年頃の素子の大きさ2〜3ナノメートルを予見する。これを実現するためには革新的な技術開発が必要不可欠である。候補者は大きさ1ナノメートルの単一有機分子に注目した。課題は分子の電流制御の不安定性であった。山田豊和は、原子レベルの精度で単一有機分子の電流特性の精密測定手法を確立することで、単一有機分子を介する精密電子スピン測定に世界で初めて成功した。これにより、次世代の超小型・省資源素子の実現には、単一有機分子が非常に有益な材料であることを世に示した (Nature Nanotechnology 2011年, Nano Letters 2012年, Nature Communications 2012年、Nanotechnology 2013年「世界最小・磁気センサー開発」毎日新聞、読売新聞、産経新聞)。

これらの革新的な成果を世界に先駆けて発見できたのは、山田豊和が博士課程学生の頃から過去14年にわたり研究開発してきた最先端のスピン偏極STM(走査トンネル顕微鏡)技術開発による。山田豊和は、原子レベルで磁石のNS極観察できる本顕微鏡開発のパイオニアの一人である。

このような革新的研究成果により、近い将来、我々の使用する情報端末には「電界」や「単一有機分子」が当たり前のように使われ、情報社会の発展と環境に配慮した社会が繁栄していくと期待する。

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Toyo Kazu Yamada Lab.山田豊和 研究室

〒263-8522
千葉県千葉市稲毛区弥生町1-33

実験装置
1. home-built UHV 5K STM (z magnetic fields)
2. home-built UHV 5K Vector STM (x-z magnetic fields)
3. home-built UHV 80K STM (with molecule spray)
4. home-built UHV 300K STM
5. home-built UHV VT-STM (with LEED/PES/Mott) [under construction]
6. home-built Au evaporate setup
7. home-built tip etching setup
8. home-built FIM/FEM setup [under construction]
9. Kerr setup [under construction]
10. JEOL air STM/AFM
11. Tiny-SEM
etc.

大学院生募集中!
我々は日本でも数少ない、STM装置を自分たちで開発しています。今までにない新しいSTM装置開発を行っています。新たな装置をつくることで、だれも見たことの無い新しい物質の特性の発見を目指しています。関心のある大学院生を日本中・世界中より募集中です。見学希望の方はいつでも山田までメールをください。

山田研究室にて修得可能な技術&能力
1.走査トンネル顕微鏡(STM)・原子間力顕微鏡(AFM)技術、2.磁気工学/スピントロニクス、3.有機分子・生命分子エレクトロニクス、4.グラフェン素子技術、5、電子顕微鏡技術、6.電子/電界放出顕微鏡技術、7.表面・ナノ物性学(ナノサイエンス)、8.真空工学、9.低温工学、10.超電導技術、11.結晶工学、12.CAD/画像解析(PC)ソフト活用能力、13.プレゼン能力、14.論文執筆能力、15.コミュニケーション能力、16.English能力(Speaking, Reading, Writing)

担当講義一覧(Lectures)
学部
[1] 力学基礎2(T4-5、木曜日2時限目、工17−113)
[2] 力学基礎演習2(T4-5、隔週、水曜日5時限目、工17−113)
[3] ナノ計測科学(T4-5、水曜日3時限目)
[4] ナノ物性科学セミナーI(卒業研究ゼミ)
[5] ナノ物性科学セミナーU(卒業研究ゼミ)
[6] ナノ・分子物性研究(卒業研究)
[7] ナノ物性科学実験T(T1-2、火曜日3-5時限目、3回担当)
[8] ナノ物性科学実験U(T4-5、火曜日3-5時限目、3回担当)
[9] 応用物理学実験T(T1-2、木曜日3-5時限目、2回担当)
[10] 応用物理学実験II(T4-5、木曜日3-5時限目、6回担当)

大学院
[11] 磁性物質科学特論(T1-2、大学院、水曜日5時限目、工17−215)
[12] 特別演習T(通期、大学院研究ゼミ)
[13] 特別研究T(通期、大学院研究)
[14] 特別演習U(通期、大学院研究ゼミ)
[15] 特別研究U(通期、大学院研究)
[16]先進理化学専攻特別講義Ua(T4-5、木曜日5時限目、2回担当)