東大ら,トポロジカル状態制御の指針を提案

東京大学,高エネルギー加速器研究機構,広島大学,大阪大学の研究グループは,VTe2(V:バナジウム,Te:テルル)の電子構造を実験・理論の両面から解明し,電荷密度波の形成とともにトポロジカルな性質が変化する現象を発見した(ニュースリリース)。

トポロジカル物質においては,固体内部とは異なる特殊な電子状態が表面に存在し,これによって新しい電気的・磁気的特性が出現する。このようなトポロジカル物質を実現するには,固体中の電子構造が真空とは異なるトポロジー,すなわちメビウスの輪のような「ねじれ(バンド反転と呼ばれる)」を持つことが重要となる。

このような「ねじれ」は通常,物質の構成元素を変えたり強い圧力や歪みを加えたりすることで作ることができるが,このON/OFFを超高速で切り替えるためには,電場や光などを用いた制御が求められる。

今回研究グループは,電場や光照射などにより制御しやすいことが知られている電荷密度波に注目して,電荷密度波とトポロジカルな性質が密接に結合した「電荷密度波トポロジカル物質」の探索を行なった。

具体的には,電荷密度波を形成することで知られている層状遷移金属ダイカルコゲナイドVTe2に注目してその単結晶試料を作製し,固体内部(バルク)と表面の電子構造をスピン分解・角度分解光電子分光法を用いて調べた。

電荷密度波のない一様相では,V字型のバルク状態とX型のトポロジカル表面状態が存在している。このV字型のバルク状態を3次元的に測定することにより,トポロジカル表面状態の発現に必要なバンド反転が起きていることも確かめた。

これらの結果は,第一原理計算により得られた電子構造の計算結果とも整合する。一方で,同様の測定を電荷密度波相で行なったところ,一部のV字型のバルク状態が非常に平坦となり,これに伴いトポロジカル表面状態が消失する様子が明らかとなった。

研究グループはこのバルク状態の変化について,第一原理計算を用いて波動関数の解析を行なった。その結果,実験で観測された平坦なバルク状態は,バナジウム原子の特定のd軌道が直線状に3個つながった三量体を形成するために生じることが明らかとなった。

今回の発見は電荷密度波とトポロジカルな性質を合わせ持つ新しいタイプのトポロジカル物質の開発へ新たな指針を提唱するとともに,今後のトポロジカル物性制御に向けた前進に貢献するとしている。

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