美国IBM的一个研究小组日前成功地测量出了使单一原子的磁方向（Magnetic Direction）反转（即自旋反转）所需的能量。这是IBM于美国当地时间9月9日宣布。该公司认为此项研究将有助于推动将称之为自旋的物理现象应用于电子工程学的“Spintronics（电子自旋学）”的发展。

　　所谓自旋，就是指电子或原子具有“向上旋转（up）”或“向下旋转（down）”某种状态的现象。物质内部只要自旋状态朝某个方向保持一致，就会产生磁力。几乎所有的物质由于自旋向上（spin up）状态和自旋向下（spin down）状态的电子数相同，因此就将磁力相互抵消了，从整体上来说就不具有磁力。但是，铁和钴等由于2种自旋状态的电子数不相同，因此就带有磁力。从现在的电子工程学来讲，一般只使用电荷，而电子自旋学则着眼于自旋的应用。

　　该研究小组测量的是将1个锰原子的自旋方向由向上变成向下所需的能量。

　　所使用的测量方法就是在磁力中应用了非弹性电子隧道光谱法（Inelastic Electron Tunnel Spectroscopy，IETS），该研究小组称之为“single atom spin flip spectroscopy（单一原子自旋反转光谱法）”。首先为了确定某个方向的自旋，给带磁的单一原子施加强大的磁场。接着将对象原子的上部配置在非磁性状态的扫描隧道显微镜（STM）的顶端。在此施加电压后，电子就会由显微镜顶端向磁性原子方向传导（利用隧道效应移动）。

　　在绝大多数情况下，传导的电子都会穿过原子。但是，只要电压足够大，部分电子就会将能量传导给原子，在引发自旋反转的同时，还会增加传导电子。通过测定电子增加所产生的电压，就能检测到自旋反转所需的能量。

　　在此研究小组所做的实验中，能量因最初的磁场强度而稍有不同，约为0.0005电子V。与单一氢气分子聚合相比，大小不足1万分之一。

　　“要想依据工程学原理在自旋电子学等全新电路领域中应用纳米级特性，必须要有在各种环境下有关少数原子产生磁性动作的基础知识。我们开发的新技术能够更详细、更准确地了解这种动作。”（IBM阿尔马丁研究中心研究员Andreas Heinrich）

　　此项研究的详情登在《科学》杂志9月9日发布的网络版“Science Express”上。

米IBMの研究チームが，単一原子の磁気方向を逆転させるのに必要なエネルギ量の計測に成功した。IBM社が米国時間9月9日に明らかにしたもの。同社では，スピンと呼ばれる物理現象を電子工学に応用する“スピントロニクス”の発展に寄与するとみている。

　スピンとは，電子や原子が“アップ”または“ダウン”のいずれかの状態を持つ現象のこと。物質内でスピンの状態がどちらか一方にそろうと，磁気が生じる。ほとんどの物質はアップ状態とダウン状態の電子の数が等しいので磁気を打ち消し合ってしまい，全体としては磁気を持たない。しかし，鉄やコバルトなどはアップとダウンの数がそろわないため磁気を帯びる。現在の電子工学では一般的に電荷のみを利用するが，スピントロニクスではスピンの応用を目指している。

　同社研究チームが計測したのは，マンガン原子1個のスピンの向きをアップからダウンに変えるのに必要なエネルギ量である。

　計測に使用した手法は，非弾性電子トンネル分光法を磁気に応用したもので，研究チームは「single-atom spin-flip spectroscopy（単一原子スピン反転分光法）」と呼ぶ。まず，磁気を帯びた単一原子に対し，スピンをある方向に決めるため強力な磁界をかける。次に，非磁性状態にある走査型トンネル顕微鏡（STM）の先端を，対象原子の上部に配置する。ここで電圧をかけると，先端から磁性原子に向かって電子が流れる（トンネル効果で移動する）。

　ほとんどの場合，流れた電子は原子を通過してしまう。しかし，電圧が十分高いと一部の電子が原子にエネルギを渡し，スピン反転を引き起こすとともに，電子の流れを増加させる。電子の増加が発生した電圧を測ることで，スピン反転に必要なエネルギ量を知ることができる。

　研究チームの実験では，エネルギ量は最初の磁界の強さによってやや異なり，約0.0005電子Vだったという。これは，単一の水素分子結合に比べ1万分の1未満の大きさである。

　「（スピントロニクスなど）まったく新しい回路でナノ・スケールの特性を工学的に利用するには，さまざまな環境下で少数の原子による磁気的な振る舞いに関する基礎知識を得る必要がある。我々の開発した新しい技術は，こうした振る舞いをより詳しく，従来よりずっと正確に把握できる」（IBM社アルマデン研究センター研究スタッフのAndreas Heinrich氏）

　研究の詳細は，科学雑誌「Science」のWeb版「Science Express」の9月9日号に掲載する。