千葉大学 大学院工学研究院 総合工学講座 物質科学コース
物質最小「原子」「分子」「量子スピン」の世界
スピン偏極走査トンネル顕微鏡(SP-STM)の研究室 (山田豊和ラボ)
Prof. Dr. Dr. Toyo Kazu YAMADA, Associate Professor Graduate School of Engineering, Chiba University
Dr. Toyo Kazu Yamada currently holds the position of Associate Professor in the Department of Materials Science at Chiba University, Japan. He earned his Ph.D. (double degree) in 2004 from Radboud University Nijmegen, The Netherlands (Prof. Dr. Herman van Kempen) and Gakushuin University (Prof. Dr. Tadashi Mizoguchi), Japan. Additionally, he served as a Humboldt research fellow at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany from 2008 to 2010. Dr. Yamada has authored over 80 publications and has accumulated 2,000 citations. His research primarily focuses on various aspects of materials science, encompassing single magnetic atoms and films, organic molecules, graphene nanoribbons, Fe/MgO interfaces, nanomagnets on an s-wave superconductor, and life molecules. He employs scanning tunneling microscopy, spectroscopy (STM/STS), and spin-polarized STM/STS in ultrahigh vacuum environments at both cryogenic and ambient temperatures.
山田豊和・准教授は、科学技術振興調整費-若手研究者の自立的研究環境整備促進(H22-H24)優れた若手研究型教員の人材育成システムの補助のもと、2010年度よりテニュアトラック教員として千葉大学大学院融合科学研究科に赴任し、2014年度テニュアを取得しました。
Summary of Research Topic:
I'm researching the functionality of quantum spins by utilizing single magnetic atoms and organic molecules arranged on the surfaces of solid materials, such as graphene, ultrathin insulating film, self-assembled monolayer (SAM) molecular array, 2D covalent organic frameworks (COFs), 2D metal-organic frameworks (MOFs), layered magnets, and van der Waals superconductors. This research aims to pave the way for future quantum technologies through the creation of quantum materials. Moreover, I've designed a unique scanning tunneling microscope (STM) capable of directly observing the quantum states generated by single atom and molecule structures. Currently, my main focus is on actively contributing to the development of innovative quantum meso-materials.
Recent Topics of Interest: The development of a quantum bit network utilizing atom and molecule
Motto in Research or in Life: Persist in what I like.
Hobby/Holiday: Research, Sacred Site Visits
Research Keywords:
Quantum Spin, Magnetism, Surface Science, Organic Molecule, Single Atom, Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy (STM/STS), Molecular Machine, Nano-Cluster, Molecular Electronics, Spintronics, Spin-Polarized STM
Committee Memberships:
The Magnetic Society of Japa (MSJ), The Japan Society of Applied Physics (JSAP), The Surface Science Society of Japan (SSSJ), Physical Society of Japan (PSJ), The Chemical Society of Japan, German Physical Society (DPG)
ORCID URL:
https://orcid.org/0000-0001-5185-6472
学歴
1975年末 兵庫県川西市 生誕
1980-1981年 バングラデシュ ダッカ日本人学校幼稚部
1981-1982年 東京都荒川区立 町屋幼稚園
1982-1985年 東京都荒川区立 第七峡田小学校
1985-1988年 東京都多摩市立 西落合小学校
1988-1991年 学習院中等科
1991-1994年 学習院高等科
1994-1998年 学習院大学 理学部 物理学科
1998-2000年 学習院大学 大学院自然科学研究科物理学専攻 博士前期課程（修士）
2000-2003年 学習院大学 大学院自然科学研究科物理学専攻 博士後期課程（博士）
2000-2004年 オランダ ラドボウド大学ナイメーヘン 固体物理学２ PhD課程（博士）
2004年3月 博士（理学）（学習院大学）, 指導教員：溝口正先生
2005年3月 Ph.D（Science）（オランダ・ラドボウド大学ナイメーヘン）, 指導教員：Herman van Kempen先生
Degrees
2000 Master in Science, Gakushuin University, Japan (Supervisor: Prof. Dr. Tadashi Mizoguchi)
2004 Ph.D. in Science, Gakushuin University, Japan (Supervisor: Prof. Dr. Tadashi Mizoguchi)
2005 Ph.D. in Science, Radboud University Nijmegen (NSRIM, Solid State Physics II), The Netherlands (Supervisor: Prof. Dr. Herman van Kempen)
職歴
2001年 オランダ・ラドボウド大学ナイメーヘン FOM Junior Researcher
2004年 学習院大学理学部 日本学術振興会 特別研究員（PD）
2004年 学習院大学理学部 助教
2008年 ドイツ・カールスルーエ工科大学 フンボルト財団リサーチフェロー
2010年 千葉大学 大学院融合科学研究科 ナノサイエンス専攻 特任准教授（テニュアトラック）
2015年 千葉大学 大学院融合科学研究科 ナノサイエンス専攻 准教授（テニュア取得）
2015年 分子科学研究所 客員准教授 (-2017.3)
2017年- 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 准教授（改組に伴い）
2021年 国立研究開発法人物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点 客員研究者 (2021.4-2022.3)
2024年 国立大学法人 九州大学先導物質化学研究所 筑紫地区 研究指導者 (2024.4-2025.3)
Scientific Career
2001 FOM Junior Researcher at Radboud University Nijmegen, The Netherlands
2004 JSPS Research Fellow (PD) at Gakushuin University, Japan
2004 Assistant Professor at Gakushuin University, Japan
2008 Humboldt Research Fellow at Karlsruhe Institute of Technology, Germany
2010 Research Associate Professor (Tenure-Track) at Chiba University, Japan
2015- Associate Professor (Tenured) at Chiba University, Japan
2015 Guest Associate Professor at Institute for Molecular Science, Japan (-2017.3)
2021 Guest Researcher at National Institute for Materials Science, Japan (-2023.3)
2024 Research Supervisor at Kyushu University, Institute for Materials Chemistry and Engineering (-2025.3)
これまでの研究
スピン偏極STMによる表面ナノ磁性の研究 (2000-現在)
１個の磁性原子の磁気モーメントベクトル（厳密にはスピン偏極度ベクトル）を直接イメージングで可視化できるスピン偏極STM(SP-STM)手法が、2000年Wiesendanger博士とBode博士によりScience誌に発表されました。当時、オランダ・ラドボウド大学ナイメーヘンにPhD学生として入学したばかりの私は衝撃を受けました。当時、STMでFe(001)表面の原子像観察を行っていた私にとっては、物質最小の原子を観察するだけでも凄いことだったのですが、目では見えない磁石のNS極が原子レベル見えたと報告されたからです。「磁石の原子のスピン磁気モーメントベクトルが見たい！」これが私のPhD研究テーマとなりました。2002年、室温で STM磁気イメージングに成功し学位を取得しました。以後、ライフワークとして、スピン偏極STMを用いて研究を行ってきています。2016年には第6回スピン偏極STM国際会議を千葉大学にて主催しました。SP-STMは現在も市販はありません。高度なノウハウ(STM, STS, 超高真空, 低温, 磁場等)を要するからです。それでも「スピン」を見たいという研究者の熱意は変わらず、現在までに世界中で３０を超える研究所でSP-STM開発が成功しています。少しずつですが、普及しつづけています。
論文抜粋：[1] Appl. Phys. Lett. 116 (2020) 262406. [2] 真空と表面 63 (2020) 459. [3] Appl. Phys. Lett. 105 (2014) 183109. [4] Nanotechnology 18 (2007) 235702. [5] Phys. Rev. B 72 (2005) 014410. [6] Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 1437 (cover image). [7] Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 056803.
Mottスピン偏極度検出器によるSTM磁性探針の定量スピン偏極度計測 (2005-2008)
オランダで学位取得後、学習院大学 理学部 物理学科にて助教をつとめました。その際、電子線をAuに加速して当て、Au内部でAu原子の大きなスピン軌道相互作用(SOI: spin-orbit interaction)により、入射したアップスピンとダウンスピンの散乱確率が異なることから、実際に入射するスピン軸に対して、左側と右側に散乱されるスピンの数が異なります。これを、チャンネルトロンの光電子増倍管を用いて検出し、実際に数を数えます。すると、電子線のスピン偏極度P＝(アップとダウンスピンの数の差) / (アップとダウンスピンの数の和)が得られます。実際は、Mott検出器の性能：シャーマン関数Sを使って、P＝S(アップとダウンスピンの数の差) / (アップとダウンスピンの数の和)で、スピン偏極度を定量的に求めることができます。このMott検出器を自作し、スピン偏極度STM探針のスピン偏極度測定を行いました。
New Journal Physics (2009)。2005年 風戸奨励賞。
電界による鉄ナノ磁石の強磁性/反強磁性相転移制御: 超省エネ情報書き込み (2008-2010)
STM探針を使うと、試料に電界を1nmの空間分解能で印加できます。二原子層厚さのFe膜に電界を印加しました。すると、Fe層間の原子間距離が電界印加で変わり、同時にbcc強磁性⇔fcc反強磁性の磁気相転移制御が可能であることを発見しました。
Nature Nanotechnology 5 (2010) 792。2012年 日本物理学会若手奨励賞、日本磁気学会内山賞。
世界最小・単一有機分子磁気メモリ (2008-2012)
フンボルト財団フェローとしてドイツ・カールスルーエ工科大学に着任時、有機分子の世界に入りました。「量子ビット材料として有機分子磁石が有効ではないか？」と考え、SP-STMを用いて分子内磁性原子の量子スピン状態の研究を開始しました。１個のフタロシアニン分子でも世界最小・磁気抵抗メモリとなること、スピンクロスオーバー分子の分子軌道(egとt2g)のスピン配置をSTM探針からの電界印加で制御することで単分子メモリスタになることも分かりました。
Nature Nanotech. 2011, Nature Commun. 2012, Nano Lett. 2012, Nanotechnology 2013
有機分子/磁性金属積層膜の開発 (2012-現在)
有機分子膜と磁性金属膜を積層すると磁気抵抗素子となります。STM研究から、分子π電子軌道と磁性3d軌道は強く混成し、室温での熱拡散を止めるほど強い結合力を持つことが分かりました
[特許：薄膜形成方法及び記憶素子,出願番号：特願2018-107375, 特開2019-210511]。
ところが、磁性金属を有機分子膜に蒸着すると積層(界面)制御が極めて困難化することも発見しました。フタロシアニン分子膜、クラウンエーテル環状分子膜、ハニカム構造多孔質分子(COF)膜と、多様な分子膜に磁性原子(Fe, Co)を蒸着してきました。基本、必ず分子膜の下に磁性金属は潜り込み界面を乱す事が分かりました。磁気抵抗発現には原子レベルで平坦な界面が必要であるため致命的欠陥です。この苦難の実験から、分子そのものに磁性金属を連結する「仕掛け」が無くては、有機分子と磁性金属は “水と油”のように分離してしまうことが分かり、現在、この「仕掛け」を使うことで、磁性原子を有機分子格子で補強することで磁性原子の配列を表面場で制御する事に挑戦しています。成功すれば、量子ビット材料や単原子触媒に活用でき、社会に大きく貢献できます。
Phys. Rev. B 2016/2021, Scientific Reports 2018, J. Phys. Chem. C 2019/2020, 真空と表面 2020
貴金属表面上でのカーボンナノチューブ(CNT)からグラフェンナノリボン(GNR)の作製 (2015-現在)
炭素材料からなるCNT/GNRは、省資源・省エネ観点から未来の人工知能やナノ配線材料を実現する重要な物質として注目されるナノ材料です。溶液中CNTをアンジップしGNR化する研究が盛んですが、我々の研究から、真空中加熱による触媒反応でもGNR化できることが分かっりました。これにより、アンジップ剤を使う必要がなくなります。アンジップ剤はCNT溶液を基板液滴した際、大きさ1nmサイズの残留不純物となります。不純物のない、清浄なCNT/GNRネットワークを実現する手法が分かってきました。今後、新たな人口知能機能の発現を目指しています。
Scientific Reports 2015, Nanotechnology 2018, 表面と真空 2021
分子最小“一酸化炭素(CO)分子”の単分子操作と永久に動く分子膜の発見 (2015-2021)
環境問題ではCO2削減が注目されますが、その過程で必ず現れる物質最小のCO分子に着目しました。また、STM探針にCO単分子を吸着することでSTM世界最高分解能が得られます。このCO探針を使って、試料表面上CO分子と探針CO分子間の斥力を使うことで、CO分子を正確に原子レベルで動かす手法を確立しました。また、過去40年間、CO分子膜内のCO分子は静止していると考えられてきましたが、膜内でCO分子は永久に動き続けていることを発見しました。
Nanotechnology 2018, J. Chem. Phys. Lett. 2020
受賞
[12] 2021年10月21日11th CSJ Chemistry Festa (日本化学会秋季事業 第11回CSJ化学フェスタ2021), タワーホール船堀, 東京,「優秀ポスター賞」 西野史, 山田豊和
受賞題目：貴金属表面でのホスト-ゲスト化合物配列の作製
[11] 2020年1月9日 千葉大学サブ領域I研究交流会学生ポスターセッション, 工学部総合研究棟2 2F電気電子会議室. 千葉大学,「優秀講演賞」(26名中, 同点top3) 佐々木悟, 山田豊和
受賞題目：Cu(111)上のCuPc単分子へのFe原子吸着による近藤共鳴発現
[10] 2018年10月23-25日 8th CSJ Chemistry Festa (日本化学会秋季事業 第8回CSJ化学フェスタ2018), タワーホール船堀, 東京,「優秀ポスター賞」 荒本夏帆, 根本諒平, 高橋将智, 山田豊和, 谷口竜王, 唐津孝
受賞題目：走査トンネル顕微鏡を用いたイリジウム(III)錯体の配向因子調査
[9] 2018年3月26日 第２回日本表面科学会プローブ顕微鏡研究部会合同シンポジウム（東京大学柏キャンパス・物性研究所・6階大会議室）ポスター賞 根本諒平, Ayu N.P.H, 上羽貴大, 稲見栄一, 解良聡, P. Kruger, 山田豊和
受賞題目：STM / UPS による有機分子2 次元構造・電子状態解析
[8] 2017年12月23日 The 2017 Global Research Efforts on Energy and Nanomaterials (GREEN 2017), Taipei, Taiwan, FIRST PRIZE R. Nemoto, S. Kera, P. Krueger, T. K. Yamada
受賞題目：Growth process and electronic structures of crown ether ultrathin films by means of STM and UPS,
[7] 2015年09月09日 日本磁気学会 出版賞, 大嶋則和、小野寛太、笹田一郎、三俣千春、山田豊和
受賞題目：磁気イメージングハンドブック（共立出版）
[6] 2012年10月 千葉大学 先進科学賞, 山田豊和
受賞題目：ＳＴＭナノイメージングが切り拓く次世代エコ分子スピントロニクス
[5] 2012年10月3日 日本磁気学会 内山賞, 山田豊和
受賞題目：金属表面での磁気電気結合：電界による鉄ナノ磁石制御
[4] 2012年03月 第6回 日本物理学会 若手奨励賞, 山田豊和
受賞題目：「"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, 792-797 (2010).」「"Spin configuration in a frustrated ferromagnetic/antiferromagnetic thin-film system", T.K. Yamada, E. Mart´?nez, A. Vega, R. Robles, D. Stoeffler, A. L. V´azquez de Parga, T. Mizoguchi, and H. van Kempen, Nanotechnology, 18, 235702 (2007).」「"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, 9, 056803 (2003)」
[3] 2007年08月20日 The 45th Kaya-conference, Shinshu-Matsushiro Loyal Hotel, Nagano, Japan, 19-22.8.2007. [Poster Prize], T.K. Yamada
受賞題目：Atomic/electronic structure of honeycomb-like patterns on hexagonal-prism Fe-whisker single-crystal {110} surface
[2] 2005年02月15日 財団法人 風戸研究奨励会 風戸奨励賞, 山田豊和
受賞題目：吸収電流法によるSEM用スピン検出器の開発研究
[1] The 17th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2002), Kyoto, 5-8.3.2002. [Silver Prize] T.K. Yamada, M.M.J.Bischoff, T.Mizoguchi and H.van Kempen
受賞題目：STM and STS study of ultrathin Mn films on Fe(001)
所属学会
日本磁気学会、応用物理学会、日本物理学会、日本表面真空学会、日本化学会、The German Physical Society (DPG)
社会貢献
ドイツ学術交流会（DAAD）奨学金審査 面接委員 (2021-2023)
日本学術振興会 R063高効率エネルギー変換材料とデバイス技術の融合委員会 委員 (2024-)
日本学術振興会 第147委員会 原子分解能評価・量子ビーム解析 分科会 委員 (2019-2024)
日本学術振興会 人材育成企画委員 (2013-)
日本学術振興会 特別研究員等審査会専門委員、卓越研究員候補者選考委員会書面審査員および国際事業委員会書面審査員・書面評価員 (2017.8.1-2018.7.31), (2020.7.1-2021.6.30)
日本学術振興会 科学研究費委員会専門委員 (2014.12.1-2016.11.30)
日本学術振興会 マイクロビームアナリシス第141委員会・「強力永久磁石の開発と磁区観察先端技術」の知識や技術の伝承に関する委員会・観察分科会 委員 (2011-2013)
日本磁気学会 総務理事 (2023-)
日本磁気学会 論文賞・学術奨励賞および出版賞選考委員(2023-2024)
日本磁気学会 第47&48回学術講演大会 表彰式 副委員長
日本磁気学会 岩崎コンファレンス実行委員会 (2023-2024)
日本磁気学会 新技術新製品賞・技術功労賞・学会活動貢献賞・学生講演賞選考委員会 委員長 (2023-2024)
日本磁気学会 広告タスクフォース(TF)委員
日本磁気学会 総務委員 (2011.4-2015.3)
日本磁気学会 選挙管理委員会委員 (2015.1.16-2016.1.31)
日本磁気学会 企画委員（2006-2007）
日本磁気学会 講演大会事務局長（2007）
応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会 幹事 (2023-)
応用物理学会 薄膜表面物理分科会: 薄膜・表面物理基礎講座担当 (2023-)
応用物理学会 薄膜表面物理分科会: 幹事 (2011-)
応用物理学会 応用物理学会・中分類6.6プローブ顕微鏡セッション,プログラム委員(2013秋-)
応用物理学会(薄膜・表面物理分科会)主催ACSIN-14(ICSPM-と共催) プログラム委員(2017-2018)
応用物理学会(薄膜・表面物理分科会)主催ACSIN-12(ICSPM-21と共催) プログラム委員(2012-2013)
応用物理学会 薄膜表面物理分科会: 常任庶務幹事 (2011-2012)
日本物理学会 領域9・運営委員 (2012.10-2013.9)
日本表面真空学会 学会賞等選定委員会 (2022-2023-2024)
Programm committee, 32nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM32) (Sapporo, 2024)
Programm committee, 31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31) (Tokyo Institute of Technology, 2023)
Programm committee, International Vacuum Congress 22 (Sapporo 2022)
Conference co-organizer (Committee Chair) of the 2017 Global Research Efforts on Energy and Nanomaterials (GREEN 2017)
Conference Chair, 6th Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy (SP-STM6) conference (2014-2016)
Registration Chair, International Conference of Molecular Archtechtonics, 3-6/8/2015, Shiretoko (2014-2015)
Members of the International Advisory Board of Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy international committee (2006-)
日本表面真空学会 プローブ顕微鏡研究部会(2016.10-)
文部科学省科学技術動向研究センター「科学技術専門家ネットワーク」専門調査員(2012-)
JJAP STAPナノエレクトロニクス編集委員 (2012.8-2013.12)
東京大学 物性研究所 嘱託研究員 (2012.10-2013.3)
教員免許
中学校教諭一種免状（理科）、高等学校教諭一種免状（理科）
BACK