広報活動

Print

2017年2月14日

理化学研究所
東京大学
東北大学金属材料研究所
産業技術総合研究所

トポロジカル絶縁体の表面金属状態の絶縁化

-特殊な電気磁気効果観測のための物質基盤を確立-

積層薄膜のホール伝導度と縦伝導度の外部磁場依存性の図

図 積層薄膜のホール伝導度と縦伝導度の外部磁場依存性

2016年のノーベル物理学賞は「物質におけるトポロジカル相転移、トポロジカル相の理論的発見」に対して米国のサウレス博士、ホールデン博士、コステリッツ博士の3人に与えられました。このように、物質に内在する「トポロジー」(位相幾何学)に着目する研究が、近年世界で急速に進められています。「トポロジカル絶縁体」はその代表的な例の一つであり、内部は電流が流れない絶縁体である一方、表面はトポロジーが生み出す特殊な金属的状態により電流が流れる物質です。

トポロジカル絶縁体で起こると予想されている興味深い現象の一つに「電気磁気効果」があります。電気磁気効果は電場を加えることで磁化(磁石としての性質)が発生したり、逆に磁場を加えることで電気分極が起きたりする現象のことで、将来の省電力メモリ素子への応用が期待されています。この電気磁気効果をトポロジカル絶縁体で観測するには、トポロジカル絶縁体の金属的な表面状態を絶縁化する必要があります。特に、磁化を表面に対して反平行な方向に向かせることで絶縁体になると予測されていますが、従来の技術では磁化の向きを制御するのは困難でした。

今回、理研を中心とする共同研究グループは、高品質な薄膜を成長させる方法の一つである分子線エピタキシー装置を持強いて、独自に開発した「磁気変調ドーピング」という手法で、トポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3(Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)」と、それに磁性元素Cr(クロム)を添加した磁性トポロジカル絶縁体「Crx(Bi1-ySby)2-xTe3」を用いて、磁性/非磁性/磁性の三層に積層した薄膜を作製しました。この薄膜を調べたところ、二つの磁性層の磁化が反平行になる状態ができると同時に薄膜に電流が流れなくなり、表面が完全に絶縁化しました(図参照)。この結果は、理論的に予測されている特殊な電気磁気効果発現の条件であり、電気磁気効果観測のための物質基盤を確立したことになります。

今後、作製した薄膜を用いて特殊な電気磁気効果を直接観測できると考えられます。また、今回の積層技術の開発によって可能になった新しい量子状態は、トポロジカル絶縁体そのものの理解をより深め、さらにスピントロニクスや量子コンピューティングへの応用に役立つと期待できます。

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 茂木 将孝 (もぎ まさたか)
(東京大学大学院工学系研究科 大学院生)
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)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関量子伝導研究チーム
専任研究員 川村 稔 (かわむら みのる)