NIMSら,トポロジカルな量子バレー流を観測

物質・材料研究機構(NIMS)と群馬大学は,高い移動度を持つグラフェン超格子デバイスを作製し,トポロジカルな原理による量子バレー流の観測に成功した(ニュースリリース)。

バレーという固体結晶内の電子が持つ量子力学的内部自由度 (隠れた自由度) を利用した量子光学的干渉素子やトポロジカルな超伝導量子情報素子など新しい量子エレクトロニクスへの展開が期待されている。バレー流によって情報を伝達することを目指すエレクトロニクスはバレートロニクスとも呼ばれ,近年のInternet of Things(IoT)に資する低消費電力素子の候補の一つとして注目されている。

エレクトロニクスの担い手である電子は,電荷やその自転方向に対応するスピンと呼ばれる量子力学的な内部自由度を持っている。固体結晶中の電子は,さらにバレーという隠れた内部自由度が存在し,今日のエレクトロニクスの基盤を担うシリコンなどの半導体材料で古くから知られていた。しかし,バレー自由度を制御することは難しく,積極的にデバイスなどに利用する視点は最近まで注目されていなかった。

黒鉛の単原子層であり,炭素原子が蜂の巣状に並んだシートであるグラフェンと,同じく蜂の巣構造を持つ六方晶窒化ホウ素を貼り合わせたグラフェン超格子デバイスでは,電子はバレー自由度を持つことができ,電荷の移動に伴って電流が生じるのと同様に,バレー流というものが電荷の流れを伴わずに発生することが予測されている。

今回研究グループは,高品質なグラフェン超格子デバイスを作製してバレー流の検出を試み,巨大なシグナルとしてバレー流を電気的に検出することに成功した。さらに,デバイスの端 (エッジ) に局在した電流が現象を支配している,量子バレー流の可能性を確認した。

研究グループは今後,量子バレー流の基礎科学的研究をベースに,将来のデバイス応用を目指し,バレー自由度を外部から制御する量子光学的干渉素子やトポロジカルな超伝導量子情報素子などの開発を進めていくとしている。

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