表面酸化反応への酸素分子スピンの影響を初めて観測

分子磁性と表面反応の相関の理解に貢献

2015.01.09

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMS極限計測ユニットの倉橋光紀主席研究員と山内泰グループリーダーは、電子スピンの向きを制御した独自開発の酸素分子ビームを用い、物質表面への酸素吸着確率が酸素分子のスピンの向きに依存することを初めて明らかにした。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) 極限計測ユニット (ユニット長 : 藤田大介) の倉橋光紀主席研究員と山内泰グループリーダーは、電子スピンの向きを制御した独自開発の酸素分子ビームを用い、物質表面への酸素吸着確率が酸素分子のスピンの向きに依存することを初めて明らかにした。
  2. 物質表面への酸素吸着は、触媒反応、腐食、酸化膜作製の初期過程として応用上重要である。一方、酸素分子は2個の不対電子に由来する電子スピンを持ち、磁石としての性質を持つ。スピンが酸素吸着確率に影響を与える可能性は理論研究により指摘されていたが、スピンを制御した酸化反応実験はこれまで不可能であったため、その影響はよく理解されていなかった。
  3. 倉橋らは、分子軸とスピンの向きを制御した酸素分子ビームを磁化したニッケル表面に照射し、酸素吸着確率が表面と酸素分子のスピン相対配置に依存することを明らかにした。スピン依存性は酸素分子の運動エネルギーが低い条件下で特に大きく、室温の酸素ガス分子に相当するエネルギーでは40%以上にも達した。本結果は、鉄、ニッケルなどの強磁性体表面の酸化反応速度がスピンの向きに強く依存することを示唆する。上述のように酸素分子は磁石としての性質をもち、分子と磁性体表面との間に磁気的な相互作用が働くことが観測されたスピン依存性の主な起源であると結論した。固体あるいは液体酸素が磁性を示すことはよく知られているが、酸素分子の磁性は化学反応性にも強く影響することが本研究により初めて証明された。
  4. 本研究は、表面酸化反応をスピンにまで分解して分析する新しい計測手法を確立するものである。また、観測された明瞭なスピン効果は、酸素吸着を扱う理論手法の高精度化に有益な指針も提供すると考えられる。
  5. 本研究成果は文部科学省の科研費・基盤研究 (B) 「酸素分子スピン・立体制御による表面酸化反応制御」の一環として得られた。本研究成果は、米国物理学会雑誌Physical Review Letters誌に現地時間1月9日にオンライン掲載予定である。
「プレスリリースの図1 : (a)磁場による酸素分子のスピン制御。(b)測定した酸素吸着確率スピン依存性。Ni(111)薄膜の多数スピン(SM)に対する酸素分子のスピンの向きを制御信号に従い反平行/平行と変化させると、酸素吸着確率が変化する。」の画像

プレスリリースの図1 : (a)磁場による酸素分子のスピン制御。(b)測定した酸素吸着確率スピン依存性。Ni(111)薄膜の多数スピン(SM)に対する酸素分子のスピンの向きを制御信号に従い反平行/平行と変化させると、酸素吸着確率が変化する。