東北大学は10月18日、セリウム(Ce)原子を上下から環状化合物の「フタロシアニン(Pc)配位子」でサンドイッチした「CePc2分子」を用いて、もともと磁性を持たない分子が金属表面上で薄膜を形成し表面で高い充填率を示す場合に、自己組織的に内部構造を変化させることで磁性を発生させるという、新たな手法を開発したことを発表した。

同成果は、東北大 多元物質科学研究所の米田忠弘教授、城西大学大学院 理学研究科の加藤恵一准教授、東北大大学院 理学研究科の山下正廣名誉教授、物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の荒船竜一主任研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学会が刊行するナノ・低次元・バルク材料の物理化学を扱う学術誌「The Journal of Physical Chemistry C」に掲載された。

スピントロニクス素子の開発にも、多くはシリコンなどの重い元素が用いられているが、物質の最小単位である原子や分子から組み立てるボトムアップ手法を用いて、従来と比べてはるかに微細な「分子スピントロニクス素子」の研究開発も進められている。

その実現において、最も重要なコンポーネントとなるのが磁性を持った分子とされており、それは単に磁性を有するだけでなく、それをオン・オフする能力も必要とされている。磁性の制御には、たとえば鉄イオンについて「スピンクロスオーバー現象」が知られているが、さらに簡便で局所的に磁性が変化する分子の発見と新しい機構が求められていたという。

このような背景のもと、研究チームは今回、CePc2分子に磁性を発生させることにしたという。そして、もともと磁性を持たない分子が金属表面上で薄膜を形成し表面で高い充填率を示す場合、自己組織的に内部構造を変化させることを利用して磁性を発生させるという、新たな手法を開発することに成功したとする。

セリウムは価電子揺動を示す原子として知られており、+4、+3のイオン状態のエネルギー差が小さく、状態間を遷移しやすい。CePc2分子の場合+4では磁性はないが、+3の場合にはセリウム原子と配位子のπ軌道にスピンが偏極することで磁性が示される。

理論計算では、セリウムのイオン状態は2つのフタロシアニン配位子間の回転角度θに敏感であり、θ=45度では非磁性だが、θ=0度では+3イオン状態となり、磁性を持つことが予想されている。ただ分子結晶ではθ=45度のみが観察され、θ=0度のような角度の回転をどのように起こさせるかが困難だったという。

そこで今回は、金属上に分子の薄膜を形成した際に分子結晶では得られない高密度充填がなされ、そのときに内部構造であるθを変化させることを見出し、実現させたとする。

  • 分子のサイドビュー

    (左)CePc2分子のサイドビュー。(中央)同分子の俯瞰図。上下のフタロシアニン配位子の相対回転角度は単独分子や分子結晶では45度である。(右)スピン偏極を示す色分布。青または赤の濃い部分のスピン偏極が強く、磁性が生じていることを示す。上部分子θ=45度では磁性が見られないが、下部分子θ=0度の場合磁性が生じていることがわかる (出所:東北大プレスリリースPDF)