酸素分子の「スピン」が引き起こす分子配列の歪みを可視化~原子位置から磁性を分析する道が開ける~

2026-01-15 東京大学,北海道大学

東京大学と北海道大学の研究グループは、非接触原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、銀基板上に吸着した酸素分子(O₂)単分子層を原子レベルで非破壊観察し、分子が持つスピンに起因する分子配列の歪みを実空間で初めて可視化した。極低温下での観察により、高温では正三角形格子を形成していた酸素分子配列が、低温で反強磁性秩序の出現とともに二等辺三角形へ歪む「スピン誘起格子歪み」が確認された。さらにDFT計算とモンテカルロシミュレーションにより、この歪みがスピン相互作用に由来することを定量的に再現した。本成果は、原子位置情報から磁気構造を読み取る新たな解析手法を示し、低次元磁性体や量子情報材料研究の進展に貢献すると期待される。

酸素分子の「スピン」が引き起こす分子配列の歪みを可視化~原子位置から磁性を分析する道が開ける~
原子間力顕微鏡によって酸素分子の磁気構造を観察するイメージ図

<関連情報>

原子間力顕微鏡による酸素原子膜のスピン誘起格子歪みの実空間観察 Real-Space Observation of Spin-Induced Lattice Distortion of O2 Monolayers Revealed by Atomic Force Microscopy

Mitsuo Kimura,Yuji Kunisada,and Yoshiaki Sugimoto
ACS Nano  Published: January 14, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c11357

Abstract

The monolayer formed by the adsorption of oxygen (O2) molecules onto the substrate constitutes a two-dimensional spin system. Real-space imaging of the magnetic structures poses a challenge due to weak molecular interactions and the insulating character of the system. Here, we achieved noninvasive atomic-scale observation of monolayers of O2 molecules weakly adsorbed on Ag(111) substrates using atomic force microscopy. This technique enables the real-space observation of spin-induced lattice distortions. Density functional theory calculations, incorporating dispersion interactions, and Monte Carlo simulation, reveal that the spin reduction of O2 molecules on the substrate quantitatively explains the lattice shape both in the interior and at the boundaries of the domain. The precise measurement of lattice distortion enables the determination of the local magnetic structures.

0403電子応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました