次世代スピントロニクスを支える新たなナノ構造形成技術の発見

千葉大学大学院工学研究院の山田豊和准教授と、同大学の博士後期課程に在籍する関温杜氏氏をはじめとする研究グループは、スピントロニクス分野で広く利用されている鉄（Fe）の表面に新たな一次元ストライプ構造を人工的に形成する技術を開発し、世界的にも珍しい成果を収めました。これにより、次世代のスピントロニクスデバイスやナノデバイスの性能向上が見込まれています。

この研究では、薄膜製作技術の一種であるスパッタ法において、少量のアルゴンイオンを鉄の特定の結晶面であるFe(001)に照射することにより、これまで不可能とされてきた一次元原子ストライプ構造が形成される過程が明らかにされました。この結果は、2026年8月6日付の国際学術誌『Applied Surface Science』に掲載されました。

研究の背景と重要性

原子スケールでの一次元ストライプ構造は、物質の電子的特性や磁気的特性を制御する上で重要な役割を果たします。従来、金（Au）や銀（Ag）、銅（Cu）などの面心立方（FCC）結晶では自然に一次元原子溝構造が形成されることが知られていました。しかし、体心立方（BCC）結晶においては、その形成が難しいと考えられていました。

今回の発見は、走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて高真空および室温の条件下で実験を行った結果、明らかになりました。わずかに照射されたアルゴンイオンが、鉄原子の動きに影響を及ぼし、結果的に格子定数に関連した周期性を持つ準安定な一次元ストライプ構造を生じることが確認されたのです。

技術の精密性とプロセス

具体的には、アルゴンイオンによる表面応力の急増が、鉄原子の特定の方向への移動を引き起こし、ひいては自己組織化されたストライプ構造を形成することを示しました。このストライプ構造は、表面の原子がわずかに約30 pm（ピコメートル）変位することで生じるもので、これが表面ストレスを緩和し、格子定数に基づく周期を生じさせます。興味深いことに、この構造は室温でも安定して存在しますが、加熱すると消失するため、熱平衡構造ではなく非平衡下で形成される準安定な構造であることがわかりました。

今後の展望

本研究の成果は、体心立方結晶に対する新しいナノ構造形成手法を提示するものであり、物質の配列や配向、さらには異方性の制御に新たな可能性をもたらすことが期待されます。今後は、これらの成果を踏まえてスピントロニクスデバイスや原子レベルのデバイスの機能向上につなげる研究が進むでしょう。

用語解説

- スピントロニクス：電荷だけでなく電子のスピンを利用する情報処理技術。
- 走査トンネル顕微鏡（STM）：高精度で物質の表面を原子分解能で観察できる顕微鏡。

論文詳細

- 論文タイトル：Atomic-scale one-dimensional winding stripes on Fe(001) induced by Low-dose Ar-ion sputtering
- 著者：Haruto Seki and Toyo Kazu Yamada
- 掲載雑誌：Applied Surface Science
- DOI：10.1016/j.apsusc.2026.168058

本研究は、JSPS科研費 23H02033などの多くの支援を受けて実施された重要なプロジェクトです。