非弾性電子トンネル分光法

非弾性電子トンネル分光法（IETS ）は、金属酸化物上の分子吸着物の振動を調べるための実験ツールです。この方法では、高分解能（< 0.5 meV）かつ高感度（ スペクトルを提供するのに必要な分子数は< 10 ^{13 ）で吸着物の振動スペクトルが得られます。 [1]}さらなる利点は、光学的に禁制の遷移も観察できることです。^[2] IETSでは、分子が吸着した酸化物層を2枚の金属板の間に置きます。2つの接点間にバイアス電圧を印加します。バイアスがかかった金属-酸化物-金属デバイスのエネルギー図を上の図に示します。金属接点は、フェルミエネルギーまで満たされた一定の状態密度を特徴とします。金属は等しいと仮定します。吸着物は酸化物材料上にあります。これらは、上部の破線である単一のブリッジ電子レベルによって表されます。絶縁体が十分に薄い場合、入射電子が障壁をトンネルする確率は有限です。このプロセスによって電子のエネルギーは変化しないため、これは弾性プロセスです。これは左の図に示されています。

トンネル電子の一部は、酸化物または吸着質の振動を励起することによってエネルギーを失う可能性があります。これらの非弾性プロセスにより、2 番目のトンネル経路が発生し、トンネル電流に追加の電流寄与が与えられます。入射電子はこの振動を励起するのに十分なエネルギーを持っている必要があるため、この (非弾性) プロセスの開始となる最小エネルギーがあります。これは中央の図に示されており、下の破線は振動状態です。電子のこの最小エネルギーは最小バイアス電圧に対応しており、これが追加寄与の開始となります。電流に対する非弾性寄与は弾性トンネル電流 (約 0.1%) に比べて小さく、下の図に示すように、バイアス電圧に対する電流の2 次導関数のピークとしてより明確に確認できます。

しかし、トンネル電流の弾性成分に対する重要な補正も、開始時に行われます。これは、電子振動結合における二次効果であり、振動が放出されて再吸収されるか、またはその逆になります。これは、右上の図に示されています。システムのエネルギーパラメータに応じて、この補正は負になり、非弾性電流の正の寄与を上回り、IETS スペクトルにディップが生じる可能性があります。これは、通常の IETS ^[3]と STM-IETS ^[4]の両方で実験的に検証されており、理論的にも予測されています。^{[5]ピークとディップが観察されるだけでなく、エネルギーパラメータに応じて、実験的[6]}と理論的の両方で、微分のような特徴も観察される可能性があります。^[7]

走査トンネル顕微鏡(STM)の先端を表面上の固定位置に維持し、バイアス電圧を掃引すると、IV 特性を記録できます。この技術は、走査トンネル分光法(STS) と呼ばれます。先端の状態密度が一定であると仮定すると、最初の導関数は基板の局所状態密度 (LDOS) に関する情報を提供します。2 番目の導関数は、IETS の場合と同様に吸着質の振動に関する情報を提供します。そのため、この技術は一般に STM-IETS と呼ばれます。この場合、絶縁酸化物層の役割は、先端と吸着質の間のギャップによって果たされます。

STM-IETSは、STMの開発から17年後の1998年に、Stipe、Rezaei、Hoによって初めて実証されました。^{[8]極低温と極端な機械的安定性（吸着質上の先端の機械的振動の振幅は}ピコメートル以下の範囲でなければならない）の要件により、この技術を実験的に実現することは困難です。

近年、2つの電極の間に1つの分子を配置した分子輸送接合が製造されており、分子の近くにゲート電極が追加されることもあります。^{[9] [10] [11]}この方法のSTM-IETSと比較した利点は、両方の電極と吸着質が接触していることです。一方、STM-IETSでは、先端と吸着質の間に常にトンネルギャップがあります。この方法の欠点は、電極間に正確に1つの分子を配置した接合を作成して特定することが実験的に非常に難しいことです。

STM-IETS技術は、2004年にIBMアルマデンでAndreas J. Heinrich、JA Gupta、C. Lutz、Don Eiglerによって個々の原子のスピン励起に拡張されました。 ^[12]具体的には、絶縁薄膜でコーティングされたさまざまな表面導電性表面上のMn原子のゼーマン分裂状態間の遷移を調べました。この技術は後に、2006年にIBMアルマデンでAndreas J. Heinrich率いるチームによって、最大10個の原子を1つずつ組み立てたMnスピンチェーンの原子スピン遷移を調べるために適用されました。^[13]その結果、MnスピンチェーンはS = 5/2スピンの1次元ハイゼンベルクモデルの実現であることが示されました。STM-IETSは、個々の原子^{[14] [15] [16]}および分子の単一イオン磁気異方性によって分裂した原子スピン遷移を測定するためにも使用されました。^[17] トンネル電子が原子スピン遷移を励起できるようにする基礎となる物理的メカニズムは、複数の著者によって研究されている。^{[18] [19] [20]}最も一般的な動作モードは、基底状態から励起状態へのスピン励起をプローブするが、システムを平衡状態から遠ざけて励起状態間の遷移をプローブする可能性や、スピン偏極電流で単一原子のスピン配向を制御する可能性も報告されている。^[21] 結合スピン構造の場合、この技術はスピン励起のエネルギーに関する情報だけでなく、構造全体にわたるその広がりに関する情報も提供し、ナノエンジニアリングされたスピン鎖のスピン波モードを画像化することを可能にする。^[22]