広報活動

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2015年4月14日

理化学研究所
東京大学
東北大学

トポロジカル絶縁体の表面ディラック状態の量子化を実証

-トポロジカル絶縁体を用いた低消費電力素子への応用に期待-

電界効果型トランジスタ構造と整数量子ホール効果状態を示す電圧依存性の図

電界効果型トランジスタ構造と整数量子ホール効果状態を示す電圧依存性

(a)トポロジカル絶縁体「(Bi0.12Sb0.88)2Te3」を用いた電界効果型トランジスタ構造
(b) 電界効果型トランジスタの光学顕微鏡写真。電気抵抗及びホール抵抗の測定箇所。
(c) 制御電圧によって試料内の電子数を変化させると、ある範囲の制御電圧領域でホール抵抗が量子化抵抗(約±25.8kΩ=h/e2)で一定となり変化しない整数量子化状態が観測された。

物質の内部は絶縁体なのに表面は電気を通す特性をもつ、従来の絶縁体、半導体、金属という分類の枠には収まらない新物質が「トポロジカル絶縁体」です。この物質の表面の“金属状態”は、エネルギーをほとんど使わないで電子伝導が可能な「ディラック状態」と呼ばれる状態であり、従来の半導体に比べ、不純物などの影響を受けずに電流を流せるとされています。この特性を使って、低消費電力素子の開発に応用しようとするトポロジカル絶縁体薄膜研究が活発化しています。しかし、実際には、三次元的なトポロジカル絶縁体の薄膜内部は、結晶欠陥などによってわずかに電気が流れてしまい、表面の二次元的なディラック状態だけの純粋な電気伝導を取り出すことは困難でした。このため、エネルギー損失を伴わずに電流が流せることの証拠となる、物質表面のディラック状態が量子化した「整数量子ホール効果」を確認した薄膜研究の報告はまだありません。

共同研究グループは、トポロジカル絶縁体の1つ[(Bi0.12Sb0.88)2Te3] (Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)の高品質薄膜の作製法を確立し、ほとんど結晶欠陥のない(内部に電流が流れることがない)薄膜を作製しました。この薄膜を半導体材料のイリジウムリン(InP)基板上に作り、絶縁体酸化膜と電極材をその上に取り付けて、電界効果型トランジスタ構造としました。電界効果型トランジスタ構造にすることで、外部からの制御電圧によって試料内部の電子数を連続的変化させることができます。これを用いてホール効果を測定した結果、ホール抵抗が量子化抵抗値で一定となりました。量子化抵抗値が一定値を示すことは薄膜が整数量子ホール状態になっていることを表します。また、外部電圧を制御することで、ディラック状態の整数量子ホール状態と、絶縁的な状態を電気的に制御できることを示しました。

この研究により、トポロジカル絶縁体の表面ディラック状態の量子化を電気伝導手法で検出でき、また、外部電圧によって制御できることが示されました。今後、この成果の低消費電力素子への展開が期待されます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関物性研究グループ
研修生 吉見 龍太郎 (よしみ りゅうたろう)(東京大学大学院工学系研究科博士課程2年)
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)(東京大学大学院工学系研究科教授)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関界面研究グループ
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)(東京大学大学院工学系研究科教授)